AGM32 RISC-V+FPGA異構(gòu)系列在數(shù)字示波器中的應(yīng)用

作為一個從事硬件開發(fā)多年的理工老男人，見證了ARM從誕生到繁榮的整個歷程。取代51，開始獨(dú)霸江湖，我們似乎習(xí)慣了開發(fā)各類通用應(yīng)用就從ST的ARM系列里尋找合適的MCU。隨著國產(chǎn)替代的興起，慢慢出現(xiàn)了兆易創(chuàng)新、華大、國民技術(shù)、靈動微等一系列國產(chǎn)方案，尤以兆易創(chuàng)新最為成功，可以直接替代ST的部分MCU，軟件改動非常非常小。至此國產(chǎn)MCU進(jìn)入了一個內(nèi)卷的時代，沒有特色，只有特別低的價格。

知道我對MCU設(shè)計的各類小產(chǎn)品的應(yīng)用特別感興趣，朋友給我?guī)砹艘粋€數(shù)字迷你示波器，特別小巧，攜帶非常方便。單通道，標(biāo)注100Mhz帶寬，500MS采樣率。這樣高的采樣率必須使用高速AD及很高性能的處理器才行。出于好奇，我拆開了示波器，看看如何實(shí)現(xiàn)的。沒想到硬件出奇的簡單。另外一面為按鍵及320x240的彩屏。

從上圖看到，示波器探頭進(jìn)來經(jīng)過保護(hù)及衰減進(jìn)入RS8751(250MHz的rail to rail運(yùn)放)，再到高速AD（雖然48pin的AD芯片被抹掉了mark號，但很容易就查到是ADI的AD9288）,后面的數(shù)據(jù)處理及顯示用的是GD32F407。GD32F407最高運(yùn)行頻率168MHz, AD9288雙通道8bit 100Mhz高速AD。從各芯片的性能上來看，雖然AD9288用雙通道AD實(shí)現(xiàn)單通道采樣時可以達(dá)到2倍（200MS）的采樣速率，但是GD32F407能通過什么接口讀取這么快的數(shù)據(jù)呢？仔細(xì)看板子的PCB圖，AD出來的數(shù)據(jù)口DA0~7, DB0~7都接到了GD32F407的IO端口PORT D上。

很顯然，在這么高的速率下，GD407只能通過DMA的方式來不斷讀取端口D的數(shù)據(jù)。只要保證兩者的頻率一致，DMA就無需等待判斷，不斷讀取數(shù)據(jù)即可。不得不佩服設(shè)計者的智慧，GD407的性能發(fā)揮到了極致。這種方案以極低的價格實(shí)現(xiàn)了極高的性能，佩服。但是不管如何，200MS的理論采樣速度與產(chǎn)品實(shí)際標(biāo)的500MS還是有點(diǎn)差距的。測量GD407給AD9288的時鐘，在最高采樣率的時候?yàn)?25Mhz，超過了AD9288的標(biāo)稱值，只有一種可能是超頻運(yùn)行。以上只是方案探討分析，有不同意見的可以留言發(fā)表，但不要亂噴，學(xué)習(xí)交流為主。

筆者由衷佩服設(shè)計者超高的軟硬件設(shè)計能力，這的確給普通的設(shè)計者設(shè)置了非常高的門檻。但是在如今國產(chǎn)MCU如雨后春筍，層出不窮出現(xiàn)的時候，是否能用性價比更高的MCU來更簡單地實(shí)現(xiàn)呢？

在ARM一統(tǒng)江湖的年代，RISC-V異軍突起，大有不斷蠶食ARM市場份額的苗頭。RISC-V是一個基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構(gòu)（ISA）。與大多數(shù)指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。

AGM Micro是領(lǐng)先的AGM32 32位MCU、可編程SoC、和異構(gòu)（MCU）計算芯片和方案提供商，是一家芯片設(shè)計公司，致力于為消費(fèi)電子、工控和AIoT中高量市場提供智能化的設(shè)計軟件和芯片系統(tǒng)。AGM創(chuàng)立于2010年，剛開始致力于FPGA/CPLD的研發(fā)推廣，在LED戶外屏驅(qū)動市場占有大半壁江山后，于3年前切入MCU市場，助力國產(chǎn)替代。FPGA是AGM的傳統(tǒng)優(yōu)勢，推出的MCU里也保留了這一部分，這就給開發(fā)人員提供了很大的想象和發(fā)揮空間。

AGM32F系列異構(gòu)芯片內(nèi)部框圖：

1、超高的性價比（超高主頻給了開發(fā)者更多的數(shù)據(jù)處理分析時間）

RISC-V開源內(nèi)核，省去了IP授權(quán)費(fèi)用，讓利給了終端用戶。248Mhz的超高主頻，是STM32F207/407望塵莫及的。熟悉ST MCU的設(shè)計者能直接看出，內(nèi)部的框圖是與STM32F027非常接近的，除此之外，還有2K的FPGA，相當(dāng)于4片ALTERA CPLD EPM570的容量。而這樣相當(dāng)于1片ST207+4片EPM570的AGM32芯片的售價也才1$多點(diǎn)，可以說性價比超高的。

2、靈活的自定義接口：（高速AD數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)）

看一下數(shù)字示波器使用的高速AD9288的數(shù)據(jù)接口，你會發(fā)現(xiàn)這個接口非常簡單，每個時鐘的下降沿直接獲取數(shù)據(jù)即可，這個時鐘的速度高達(dá)100Mhz，普通的MCU還真沒有類似這種同步機(jī)制的接口來讀數(shù)據(jù)。這里如果用AGM32里的FPGA來實(shí)現(xiàn)就非常容易了，要不了幾句Verilog語言就實(shí)現(xiàn)了。這里就不貼代碼了，實(shí)在是太簡單了。

3、自定義的硬件加速模塊（實(shí)現(xiàn)示波器的觸發(fā)功能）

示波器的觸發(fā)要求電壓低于或者高于設(shè)置的電壓時，開始采樣后續(xù)的波形。這個電壓比較就可以交給FPGA來實(shí)現(xiàn)。采樣完電壓后，F(xiàn)PGA先不用馬上將數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU， 而是直接進(jìn)行判斷，沒有滿足觸發(fā)電壓值之前丟棄所有的數(shù)據(jù)，直到滿足觸發(fā)條件，可以用中斷的方式或者DMA流控的方式來實(shí)現(xiàn)。這個過程基本只要FPGA參與，MCU空閑等待即可。

4、FPGA/MCU相互協(xié)調(diào)，最大程度發(fā)揮性能

FPGA最擅長的就是大數(shù)據(jù)量的并行采集分析處理。這125M（超頻）的高速AD數(shù)據(jù)采樣即使使用了DMA數(shù)據(jù)讀取，也會頻繁與MCU搶占AHB總線，導(dǎo)致MCU的運(yùn)行效率及其低下。如果用FPGA來做緩存就好很多了，F(xiàn)PGA在讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行緩存，當(dāng)達(dá)到一個DMA的burst長度后通知DMA來讀取，這樣會大幅減少AHB總線的搶占情況。使MCU有更多的時間來刷新波形的顯示，以及一些人機(jī)界面的操作。FPGA同時還能對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放、過濾等，盡可能幫助MCU完成波形顯示前的數(shù)據(jù)處理。

5、數(shù)字接口重定向（任何應(yīng)用，2層PCB輕松完成）

這是AGM32F407 100pin的引腳描述。這里面定義的PIN_XX可以用軟件定義成任意數(shù)字接口，如UART,SPI,IIC, PWM，IO等等。除了模擬部分，ADC, DAC，CMP，usb外，其它接口都能任意定義。這樣根據(jù)PCB布局來調(diào)整數(shù)字接口部分的順序，2層板就輕松搞定。這樣布出來的板子不但美觀大方，而且性能更加可靠，基本上不存在交叉走線的情況。

6、可以任意定義端口驅(qū)動能力

根據(jù)需要，可以任意定義每一個端口的驅(qū)動能力，大大加強(qiáng)了接口的抗干擾能力

7、防破解功能

很多產(chǎn)品在銷售之前會抹掉主控芯片的MARK號碼，防止競爭對手抄襲，包括筆者拆的這款示波器。這時候我們會根據(jù)外圍電路，比如SPI flash， IIC的eeprom， UART口等對應(yīng)于主控芯片的某幾個引腳來猜測驗(yàn)證這是哪家的哪款型號。但如果你用了AGM的MCU，你會發(fā)現(xiàn)根本無從知曉。

啰里啰唆寫了挺多的，估計要被年輕人嫌棄了。筆者寫這個，可能會對原設(shè)計廠家有一定的影響，但這不是我的本意。我非常佩服設(shè)計者的設(shè)計開發(fā)能力，用GD407就實(shí)現(xiàn)了便攜式數(shù)字示波器的功能，可見功力何等深厚。就像武俠世界里的頂尖高手一樣，但是如果有一把趁手的兵器能助力你達(dá)到頂峰，你何不選擇一下呢？

審核編輯：湯梓紅