混合信號FPGA實現(xiàn)真正單芯片SOC

　　要實現(xiàn)能夠?qū)⑺兄匾δ芗稍趩我黄骷脑O(shè)計理由很簡單，因為這樣就能將材料成本、部件庫存及電路板面積減至最低。另外，相較于多芯片解決方案，單芯片方案的功耗也較低，同時也有助于提高對知識產(chǎn)權(quán)的保護。如果一項設(shè)計功能的精髓能夠深植于單一芯片上，將會大大增加第三方取得這項設(shè)計的困難度。

　　單芯片系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師來說，往往會隨著其面對的不同的系統(tǒng)設(shè)計而各有不同。例如，在龐大的娛樂或通信消費產(chǎn)品市場中，SoC意味著一顆具有數(shù)百萬邏輯門的集成電路(IC)，其中包含許多大型定制邏輯模塊，并有將芯片的數(shù)字處理性能與外部世界連接的混合信號功能。在現(xiàn)實世界中，能夠支持這樣大規(guī)模的SoC開發(fā)的項目數(shù)量非常有限。

　　單芯片夢想

　　對大部分的設(shè)計團隊來說，這樣的SoC目標(biāo)仍然是一個夢想。能夠大量生產(chǎn)以支持一個完全定制化混合信號芯片開發(fā)的產(chǎn)品仍然是少數(shù)。絕大部分的產(chǎn)品都是采用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)或微控制器作為其解決方案的核心。在這樣的情況下，想要找到一個能夠完全符合項目需求的器件通常是一大難題。就定義來看，ASSP能夠為某一特定應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計問題提供一種解決方案，但是這樣的典型解決方案不可能完全符合真實世界中的項目需求。結(jié)果，通常是采用性能和參數(shù)超過需求的器件，或開發(fā)附加電路以彌補標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品與實際需求之間的落差。此外，ASSP的靈活度不高，一旦選用了某顆IC，它的功能往往會限制產(chǎn)品后續(xù)的設(shè)計進展。

　　大部分的常用解決方案都不免會以微控制器(MCU)為基礎(chǔ)。雖然其軟件可編程性可提供不錯的靈活度，但是很少有MCU能提供與典型嵌入式設(shè)計需求完全相符的功能。大部分這類的設(shè)計都會在MCU之外另加入不同形式的可編程邏輯(FPGA或CPLD)，以增加硬件中的邏輯功能。盡管現(xiàn)今市場上有各種帶有不同外設(shè)的MCU可供選用，但是絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)電路板上都沒有提供各種作為信號調(diào)節(jié)和I/O連接用途的模擬器件。

　　混合信號FPGA

　　愛特過去一直在通過提供Fusion混合信號FPGA，為上述設(shè)計提供解決方案。Fusion混合信號FPGA在單一器件上結(jié)合了高密度可編程邏輯和可配置模擬電路功能，另外還包括大容量的閃存模塊、完整的時鐘生成、管理電路以及在FPGA邏輯中嵌入微控制器軟核等設(shè)計選項。

　　SmartFusion混合信號FPGA將高密度、基于閃存的FPGA、一個具完整外設(shè)組合的ARM Cortex -M3微控制器內(nèi)核，以及高效可編程模擬功能全部都集成在一顆單芯片上。

　　圖1 SmartFusion混合信號FPGA結(jié)構(gòu)

　　ARM Cortex-M3處理器已不需要太多介紹。在SmartFusion芯片中，Cortex-M3處理器是個100MHz(125 DMIPS)器件，擁有最高容量為512KB的閃存和128KB的SRAM。在此系列FPGA中，處理器是一個硬核，這代表它是以最小面積來實現(xiàn)的，可帶來多項好處。它的效能足以執(zhí)行復(fù)雜算法，像精密電機控制、數(shù)個電機的多軸控制等。此外，在諸如系統(tǒng)管理等應(yīng)用中，它能執(zhí)行所有的電壓監(jiān)測、排序、風(fēng)扇控制，以及相關(guān)的系統(tǒng)基本運作，同時還具備充裕的能力來執(zhí)行更高級、用戶應(yīng)用級別的任務(wù)。

　　外設(shè)與接口

　　與在SmartFusion器件中以更小面積實現(xiàn)處理器硬核的方式相同，此器件也包含了常用外設(shè)的完整組合。

　　圖2 SmartFusion系列器件具有豐富的外設(shè)及接口

　　SmartFusion器件提供一個10/100 Ethernet MAC(媒體存取控制器)和其他接口，諸如SPI、I2C以及UART。大量的數(shù)字(FPGA)I/O最快可執(zhí)行350MHz，并支持LVDS、PCI和LVPECL等I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。慣于采用微控制器進行設(shè)計的工程師會喜歡此器件所包含的其他特性和功能，例如，實時時鐘、DMA控制器、外部存儲控制器、定時器和看門狗(watchdog)功能。

　　在硅片上，除了ARM Cortex-M3內(nèi)核，還有豐富的基于快閃的ProASIC 3 FPGA邏輯。此可編程邏輯可提供350MHz的系統(tǒng)效能;同時，SmartFusion系列器件最高可提供50萬門的可編程邏輯和108KB的內(nèi)建SRAM?；诳扉WFPGA架構(gòu)可完全免于由高能量輻射引發(fā)的固件錯誤(radiation-induced firm errors)，此現(xiàn)象有時會影響基于SRAM的器件，同時也是許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的主要考慮因素。由于FPGA的配置是設(shè)定在快閃單元(flash cell)中(ARM內(nèi)核可從片上閃存執(zhí)行)，而整塊芯片是上電即用，無須等待配置文件從ROM或EPROM加載的時間。此外，閃存也能允許用來進行現(xiàn)場升級，但是有時出于系統(tǒng)安全考慮，這種現(xiàn)場升級功能被取消。在編程結(jié)束之后，進一步存取配置存儲器可被設(shè)置為永遠(yuǎn)停用。

　　在微控制器子系統(tǒng)內(nèi)，有一個五層的ARM AHB總線矩陣架構(gòu)，理論上共可提供片上每秒16GB/s的頻寬。其中共有五個功能可供設(shè)定為總線主控(master)：10/100 Ethernet MAC、DMA控制器和FPGA架構(gòu)主控，另外兩個來自Cortex-M3內(nèi)核，而其他各種接口與存儲模塊則作為從屬(slave)。

　　可編程模擬

　　SmartFusion器件的第三個重要元素是高電壓雙極模擬功能。為了正確獲取來自應(yīng)用程序的信號，SmartFusion器件最高可具備三個12位逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其最高執(zhí)行速度為600ksps。每個ADC都有相對的第一階(first-order)1位sigma-delta DAC，能提供500ksps更新與12位有效分辨率。多個模擬功能都集中在信號調(diào)節(jié)模塊(signal conditioning block,SCB)中，其中包含準(zhǔn)確高電壓和電流監(jiān)控器、溫度監(jiān)控器和高速比較器。此高壓監(jiān)控器，也稱為有源雙極預(yù)分壓器(active bipolar prescalers,ABPS)，可提供-11.5V?+14V的電壓監(jiān)控能力。

　　此外，對系統(tǒng)管理或電源調(diào)節(jié)領(lǐng)域的設(shè)計人員來說，這也可作為絕佳的工具。器件中的電流監(jiān)控器可放大從外部感測電阻測量到的電壓降，而此感測電阻放置在應(yīng)用的電流回路上，差分增益為50。溫度監(jiān)控器能把一個簡單的PN結(jié)的電壓降轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。器件具備數(shù)量很多的片上比較器(在一50萬門器件中最多有10個)，而且速度非?？?，傳送時間僅為50ns。

　　自主(Autonomous)模擬信號處理

　　前面提到的模擬功能只是SmartFusion混合信號FPGA中模擬處理性能的一部分。而模擬運算引擎(ACE)是一個全新的概念，這是一個半自主的功能模塊，無須ARM Cortex-M3處理器的介入，便能夠執(zhí)行完整的模擬前/后處理，包括信號采集的采樣和排序。

　　由于ARM Cortex-M3內(nèi)核就在ACE附近，初看起來在ACE模塊中加入這樣的功能似乎是多余的。然而，半自主的ACE可減少處理器內(nèi)核的日常任務(wù)，例如，信號采集、處理、存儲和輸出等工作完全無須通過Cortex-M3處理器就能完成。設(shè)計人員能以這種方式配置器件，以使Cortex-M3處理器不受其他影響地執(zhí)行實時處理任務(wù)。

　　在一個電源管理的設(shè)計工作中，監(jiān)測每一電壓軌是否偏離正常值以及警告等工作都由ACE來執(zhí)行，它還有可應(yīng)付更復(fù)雜的任務(wù)的能力，包括濾波和線性轉(zhuǎn)換等。它所處理的可編程模擬模塊包括ADC、DAC、和SCB。注意，此模擬模塊擁有與微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)的豐富連接組合。這些元素中的每一項，不管是單獨或作為一組功能模塊，其互連和工作參數(shù)都是可完全編程的。

　　設(shè)計靈活性更上一層樓

　　對于SmartFusion而言，器件和其相關(guān)的設(shè)計工具都已準(zhǔn)備就緒，因此不管是具備何種背景的工程師，都能充滿信心地執(zhí)行一個完整的設(shè)計。

　　當(dāng)利用SmartFusion器件進行設(shè)計時，一種基于圖形化用戶界面(GUI-based)拖放的操作方式(drag-and-drop-style)可提供對完整預(yù)定義IP功能庫的立即存取。對C語言和RTL程序代碼開發(fā)人員來說，此工具套件可擴展他們的專業(yè)領(lǐng)域，因此芯片的資源能充分被使用。此設(shè)計工具可提供協(xié)作環(huán)境，讓傳統(tǒng)的設(shè)計團隊能針對SmartFusion的不同領(lǐng)域共同合作。

　　設(shè)計安全性

　　在現(xiàn)有的基于快閃FPGA系列器件中，愛特已對可編程邏輯提供了增強的設(shè)計安全性。ARM公司愿意將其處理器內(nèi)核的軟件版本授權(quán)給愛特公司，并在其FPGA中實現(xiàn)，就可以證明對于此設(shè)計安全性的信心。一旦編程到陣列之中，黑客將難以從硅片中讀取此內(nèi)核的IP。現(xiàn)在，微控制器內(nèi)核與FPGA架構(gòu)在相同的硅片上，此保護也延伸到系統(tǒng)軟件以及FPGA配置碼。ARM Cortex-M3是一個硬核，因此現(xiàn)已不需要這樣的保護形式。

　　在單芯片環(huán)境中可提供固有的IP安全性，由于SmartFusion是一個快閃器件，因而不再需要從外部存儲讀取配置檔案。在執(zhí)行時，諸如FPGA到ARM內(nèi)核總線的內(nèi)部接口是看不到的，同時在它們上面的流量也無法監(jiān)控。

　　此外，還有多種額外選項可供設(shè)計人員用來保護IP。最簡單的方法是將存有FPGA配置的閃存以及Cortex-M3程序代碼編程到“干凈”的區(qū)域中，并設(shè)定一個“生效時切斷保險絲”的條件，防止此閃存區(qū)域被讀取或重新編程。此功能也稱為FlashLock。從Actel Libero集成式設(shè)計環(huán)境(IDE)輸出的資料，包含配置和運行時間(run-time)程序代碼，也能用128位AES標(biāo)準(zhǔn)進行加密，以期在安全的制造環(huán)境之外也可以確保其IP得到保護。如果以匹配(matching)程序檔案做好設(shè)定，一個內(nèi)建的128位AES解密引擎可在最后的產(chǎn)品制造期間進行安全的系統(tǒng)內(nèi)(in-system)編程。