FPGA在嵌入式測試系統(tǒng)中的優(yōu)勢和設(shè)計挑戰(zhàn)
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不同的嵌入式系統(tǒng)其設(shè)計要求相去甚遠(yuǎn)。如果設(shè)計的是手持式設(shè)備(如PDA)，那么功耗是主要問題；而對機(jī)場或電影院售票設(shè)備，可靠性和安全將是主要考慮因素。當(dāng)然，用戶界面在上述兩種系統(tǒng)中都是主要組成部分，但也有許多嵌入式系統(tǒng)還必須和傳感器和執(zhí)行器相連，這些系統(tǒng)要求對實(shí)際的激勵做出迅速反應(yīng)并生成復(fù)雜輸出模式作為響應(yīng)，完成這些動作需要處理引擎和系統(tǒng)輸入輸出端口緊密結(jié)合。
讓我們來看一下嵌入式系統(tǒng)和外界進(jìn)行交流的方式。掌上計算器具有非常簡單的用戶界面，包括鍵盤和LCD顯示器，它不需要與傳感器或通信總線連接的接口。而對于一個汽車引擎控制單元，它雖然沒有用戶界面，但是需要與傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行通信，而且車輛網(wǎng)絡(luò)總線也是很重要的部分。當(dāng)汽車進(jìn)行維修保養(yǎng)時，技術(shù)人員會使用一種設(shè)備作為汽車電路的用戶界面，對大多數(shù)需要這種功能的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，用戶界面往往像這樣通過在設(shè)備上增加一個以太網(wǎng)端口，然后運(yùn)行web服務(wù)器作為嵌入式系統(tǒng)功能的一部分來實(shí)現(xiàn)。路由器就是這樣一種設(shè)備，通常以“傻瓜”方式運(yùn)行，但可通過一個web瀏覽器對其進(jìn)行配置。
可以選擇多種方法和器件將智能化功能加入系統(tǒng)中，并且可將這些方法和器件進(jìn)行混合配對以便以最佳方式達(dá)到設(shè)計要求。最靈活的平臺類型是將微處理器和操作系統(tǒng)結(jié)合起來，這種架構(gòu)可以采取單板機(jī)帶實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)內(nèi)核的形式，比如在ATM機(jī)或自動售貨機(jī)中。更復(fù)雜的系統(tǒng)則嵌入一個完整的PC，上面運(yùn)行Windows或其它操作系統(tǒng)，這樣做可以利用現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)接口功能連接到標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)上。
對于有的系統(tǒng)而言，PC或單板機(jī)可能太大或成本太高，而且它們或許也不能滿足性能需求。這時可以通過將現(xiàn)成的專用集成電路芯片(ASIC)集成到設(shè)計中來實(shí)現(xiàn)所要求的功能，如用DSP、運(yùn)算放大器和通信總線收發(fā)器等，這種方法的缺陷是項(xiàng)目需要增加板級設(shè)計，而如果使用PC平臺，只需要將精力集中在系統(tǒng)級設(shè)計上即可。
但如果PC不能滿足需求，而且也沒有現(xiàn)成部件可以完成系統(tǒng)，那該怎么辦呢？這時不僅要考慮進(jìn)行板級設(shè)計，而且還包括芯片級設(shè)計，需要設(shè)計并制造自己的ASIC或者是使用現(xiàn)成的可配置芯片：FPGA。其中一個需確定的因素是最終產(chǎn)品的數(shù)量，如果設(shè)計的是大批量產(chǎn)品如蜂窩電話，那么為了節(jié)約設(shè)計和裝配成本最好自行開發(fā)ASIC；但如果目標(biāo)市場很小，則可以通過使用FPGA來減少成本。FPGA可以在更改系統(tǒng)時不必開發(fā)新的ASIC，如果系統(tǒng)需要升級或修改以便滿足特殊客戶的需要，這樣的方式是極為有利的。今天，F(xiàn)PGA已廣泛應(yīng)用在打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、測量設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和自動控制模塊等嵌入式系統(tǒng)中。
測量和控制用FPGA
FPGA是一種具有可重配置邏輯門的芯片，與供應(yīng)商提供功能定義的ASIC芯片不同，F(xiàn)PGA可根據(jù)每個應(yīng)用的不同需要而進(jìn)行配置和重新配置。由于FPGA允許在硬件中實(shí)現(xiàn)自定義算法，因此它具有精確時序和同步、快速決策及并行任務(wù)同時執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)。在PC或帶有RTOS和微處理器的平臺上，處理器必須對多個任務(wù)進(jìn)行分時處理，而FPGA則可以配置為多個獨(dú)立的并行計算資源，簡言之，就像芯片上有多個微處理器一樣，且這些微處理器都針對特定的任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。
FPGA的性能和靈活性使得它們成為處理輸入輸出非常有效的技術(shù)。假如想計算那些比計數(shù)器處理的簡單上升或下降沿更有趣的模擬或數(shù)字事件，或者要確認(rèn)一個基于特定事件順序或自定義通信協(xié)議的輸入模式，然后在幾納秒后觸發(fā)一個模擬操作，這時就可以利用FPGA監(jiān)視輸入信號，快速決定并做出反應(yīng)。另外可以創(chuàng)建一個系統(tǒng)讀取脈寬調(diào)制信號并迅速計算占空比，更進(jìn)一步，還可以對FPGA進(jìn)行配置以利用自定義數(shù)字協(xié)議進(jìn)行通信，如對輸入信息進(jìn)行解碼，然后將信息組合編碼作為輸出數(shù)據(jù)包再發(fā)送出去，這種快速解碼在與非標(biāo)準(zhǔn)編碼器連接時有助于讀取和解讀出位置和速度信息。你可能甚至希望同時進(jìn)行上述所有操作，并使得這些操作互相同步，且和其它輸入和輸出任務(wù)同步。
那么輸出的情況是怎樣的呢？通過自定義數(shù)字協(xié)議進(jìn)行通信和生成PWM信號是這種類型很好的例子，也可以模擬一個連接到物理系統(tǒng)的電子器件或傳感器。如果是用一個基于軟件的系統(tǒng)完成此項(xiàng)工作，即使使用RTOS，輸出的性能也可能不一定夠。對于主控制算法，或許只需運(yùn)行在幾千赫茲頻率上，這會造成CPU資源閑置，而且它只是告訴輸出做什么以及何時做，并沒有指明該怎樣做。具體來說，假定你的嵌入式系統(tǒng)是一個客戶用來測試引擎控制模塊的引擎模擬器，對汽車引擎建立了模型并且系統(tǒng)基于該模型進(jìn)行實(shí)時模擬，通過模擬和數(shù)字I/O與控制器進(jìn)行通信。如果在某個特定測試?yán)锬Ｐ桶凑湛刂破鞯闹甘具M(jìn)行操作，引擎開始運(yùn)轉(zhuǎn)，但是不斷實(shí)時調(diào)整汽缸壓力傳感器模擬輸出以使控制器相信它是與一個真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的引擎相連是非常困難的，輸出信號必須在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成以便對控制器的命令做出響應(yīng)。但如果使用的是FPGA，就可以通過對其進(jìn)行配置使其生成基于模擬模型的高級輸出信號。
面臨的挑戰(zhàn)
將FPGA集成到嵌入式系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是如何配置FPGA的邏輯，以及將傳感器輸入和控制輸出與它連接起來。許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員對于在實(shí)時操作系統(tǒng)下運(yùn)行的微處理器上編程非常熟練，但他們不喜歡在芯片級對硬件進(jìn)行定義，這需要有設(shè)計工具和語言如VHDL方面的知識。當(dāng)然，冒昧進(jìn)入芯片級領(lǐng)域還意味著需要設(shè)計和構(gòu)建芯片周邊的電路板，雖然這對于一些嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員來說已經(jīng)過時了，但仍然有許多設(shè)計人員寧愿盡可能地使用現(xiàn)成的硬件，特別是當(dāng)硬件必須精確地測量出傳感器數(shù)據(jù)并對其作數(shù)字化處理時。
目前有許多FPGA配置工具，有些工具需要VHDL或其它語言編碼完成硬件定義，有些工具提供了圖形配置環(huán)境，還有的工具允許你使用熟悉的工具編寫軟件，然后將代碼下載到FPGA中。在選擇哪種方式適合時需要考慮幾個問題，其中一個考慮因素是你的背景。你是否是一個富有經(jīng)驗(yàn)的硬件開發(fā)人員并對FPGA的基本操作有深入的認(rèn)識？如果是，就可以利用低級工具充分發(fā)揮你的經(jīng)驗(yàn)并深入實(shí)地進(jìn)行配置。也許你不是硬件工程師，但你是一位優(yōu)秀的程序員并且能很容易掌握新的編程語言，那么你可能需要選擇一個能夠讓你充分運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序細(xì)節(jié)進(jìn)行編程的工具。另外一個可能是你既不是硬件專家也不是軟件專家，但由于你對整個系統(tǒng)內(nèi)在的理論或系統(tǒng)所投入的應(yīng)用非常熟悉而來設(shè)計系統(tǒng)，如果是這種情況，那么應(yīng)該選擇一個可以讓你以自己的語言進(jìn)行設(shè)計的工具，而不必學(xué)習(xí)復(fù)雜的FPGA或硬件描述語言。
另一個很重要的考慮因素是你計劃設(shè)計的系統(tǒng)所要求達(dá)到的功能是什么。如果正在設(shè)計多個不同類型的系統(tǒng)，可能通用硬件設(shè)計工具最為適合。有許多人花費(fèi)很多時間成為使用這些工具的專家，你也可以加入其中。如果想將涉及面縮小一些，那么也有工具去處理那些“常規(guī)”事務(wù)，而讓你專注于可以增值的地方。舉個例子，有許多工具可以幫助你很快開發(fā)出信號處理系統(tǒng)并將其配置到FPGA中去，也有一些經(jīng)優(yōu)化的工具專門用來增加測量和控制功能。
還需要考慮系統(tǒng)配置希望怎樣設(shè)置的問題。要有怎樣的尺寸？與PC連接嗎？有的FPGA開發(fā)工具要求你開發(fā)FPGA周邊所有硬件，另一些則要求使用一種特殊的內(nèi)建有FPGA的電路板。對于后者，很多和板上其它資源如I/O與總線連接的工作都已做好，這樣可以大大加快開發(fā)的進(jìn)度，因?yàn)槟銦o須關(guān)注諸如抗噪性、穩(wěn)定時間和串?dāng)_之類的事項(xiàng)。對于此類系統(tǒng)，你應(yīng)該確保與I/O的連接只有一些簡單功能。如果系統(tǒng)需要大量與運(yùn)行Windows或RTOS的PC連接，那么應(yīng)選擇那些能夠跨平臺的設(shè)計工具。如果用于開發(fā)PC端接口的API很有限的話，設(shè)計效率將受到一定的影響。
設(shè)計系統(tǒng)
設(shè)計一個完整系統(tǒng)的第一步是確定你的算法哪一部分需要放到FPGA中并執(zhí)行，有以下幾種可能性。第一，整個應(yīng)用都可以在FPGA上執(zhí)行，你無須通過鍵盤、顯示器或鼠標(biāo)等用戶交互方式，在這種情況下，用軟件開發(fā)就可以完成所有工作。第二，也可能將應(yīng)用嵌入到FPGA中去，但你想有一個在PC上運(yùn)行的Windows用戶界面，這就意味著需要開發(fā)一個在Windows下運(yùn)行的程序來和FPGA進(jìn)行通信。這要看你的開發(fā)工具是否按照這種思路開發(fā)，可能很棘手，也可能很簡單。第三，另一個常見的情況是，你希望在FPGA和一個微處理器平臺如單板機(jī)或運(yùn)行RTOS的嵌入式PC之間分配你的應(yīng)用程序，在這種情況下可能也需要一個Windows用戶界面。
有幾個原因你可能無法將整個應(yīng)用程序嵌入到FPGA中去。應(yīng)用程序大小是其中之一，F(xiàn)PGA的邏輯門數(shù)量有限，并且最終放入FPGA中的代碼因編程人員以及生成代碼的自動系統(tǒng)不同而效率可能很高也可能很低，另外FPGA上供用戶使用的RAM容量也很有限，而基于PC的平臺一般都帶有相對較大的內(nèi)存和硬盤空間。另外一個需要考慮的問題是FPGA設(shè)計常常無法進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，市面上有在FPGA上執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算的工具，但它們可能可以也可能無法與你正在使用的開發(fā)工具兼容，如果無法全部以整型算法運(yùn)行整個計算，可以放一部分在PC上執(zhí)行。PC還可以提供一些其它好處，而這些好處在FPGA上無法容易地實(shí)現(xiàn)，包括文件I/O、網(wǎng)絡(luò)操作、打印能力和基于PC的測量和控制能力，如圖形識別/處理、GPIB/VXI工具控制以及與工業(yè)總線如CAN、RS-232和RS-485的接口等。
本文小結(jié)
FPGA為嵌入式系統(tǒng)帶來了在尺寸、成本和性能上的優(yōu)點(diǎn)，特別對I/O處理加入智能特性非常有幫助，利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)基于軟件且運(yùn)行RTOS的系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的時序和同步。你可以通過微處理器和RTOS平臺如嵌入式PC執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序，但需要芯片級解決方案進(jìn)行信號解碼和編碼或生成輸出信息；同樣，你也可以在FPGA上執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序，但需要另一個平臺來完成更高級的任務(wù)。使用FPGA有一些挑戰(zhàn)，但有許多工具可以幫助你解決這些問題。最主要的考慮因素是你的技術(shù)特點(diǎn)，系統(tǒng)需要完成什么任務(wù)以及系統(tǒng)如何設(shè)置。
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