關(guān)于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計問題

FPGA是今天許多要求最嚴(yán)苛的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的重要元件。由于FPGA器件的價格大幅下跌，加上為設(shè)計人員帶來的便利性和靈活性，F(xiàn)PGA在競爭激烈的全球市場上嵌入式設(shè)計產(chǎn)品的應(yīng)用中日益增加并不足為奇。通過建立市場實力、了解客戶偏好、爭取客戶忠誠度、發(fā)揮品牌效益和取得高利潤來搶先進(jìn)入市場，是推動大多數(shù)業(yè)務(wù)取得成功的關(guān)鍵。因此，如何將下一個絕妙構(gòu)想率先推向市場？如何控制成本來賺取利潤？如何在產(chǎn)品批量上市時保護(hù)其收益來源和品牌？

搶先進(jìn)入市場
在組織管理、規(guī)劃、開發(fā)、制造和營銷的各個方面追求卓越應(yīng)有助于實現(xiàn)搶先進(jìn)入市場的終極目標(biāo)，但是從系統(tǒng)設(shè)計來看，通過減少元件數(shù)來簡化設(shè)計十分重要，但往往會在設(shè)計過程中被人忽略。大部分設(shè)計人員都認(rèn)為關(guān)注以FPGA為基礎(chǔ)解決方案的單位成本，將會帶來最低的整體系統(tǒng)成本及最快的上市時間，但卻發(fā)現(xiàn)為了支持所選的器件，需要在設(shè)計中采用大量復(fù)雜和耗時的支持基建。在低價 (以價值為基礎(chǔ)) 的FPGA市場上，有多種不同的技術(shù)可供嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員選擇，而FPGA技術(shù)的選擇對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行的復(fù)雜性和完成的總體時間影響很大。

FPGA選擇的根本差異焦點
在于使用非揮發(fā)性可重編程Flash技術(shù)或以揮發(fā)性SRAM技術(shù)為基礎(chǔ)的FPGA。以 Flash為基礎(chǔ)的FPGA具有單芯片和上電即行功能，大大簡化了系統(tǒng)級設(shè)計和最終產(chǎn)品的集成。當(dāng)電源發(fā)生故障時，以 Flash為基礎(chǔ)的FPGA于上電或欠壓檢測方面無需配置加載，在上電時也不需要從MCU對FPGA進(jìn)行加載，而信號源、電路布局、調(diào)試和檢測亦無需額外的電源管理電路。此外，在上電時，具有上電即行功能以 Flash為基礎(chǔ)的FPGA鎖相環(huán) (PLL) 可即時對時鐘生成發(fā)揮作用，作為內(nèi)核邏輯和I/O對信號進(jìn)行控制。以 Flash為基礎(chǔ)的FPGA上電即行功能提供可預(yù)測和穩(wěn)定的系統(tǒng)啟動，使設(shè)計人員能專注于設(shè)計的檢測和驗證方面，而不是集成和調(diào)試問題。
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控制成本
為了減少企業(yè)項目的總體成本、提高利潤和增加市場份額，實現(xiàn)最低的總體系統(tǒng)成本是各大公司的主要目標(biāo)。設(shè)計FPGA時，設(shè)計人員不應(yīng)該把單位價格視為總體系統(tǒng)成本的唯一一環(huán)。其他常被忽略的隱藏成本也會對總體系統(tǒng)成本構(gòu)成重大影響。沒有上電即行能力便需要使用多個非必需的元件，例如用于監(jiān)控和總線維護(hù)工作、時鐘生成和復(fù)位控制器的CPLD，因為沒有PLL和芯片產(chǎn)生的信號來協(xié)助系統(tǒng)設(shè)置。對于以Flash為基礎(chǔ)的FPGA，使用更少元件以降低材料成本只是整個成本節(jié)省的開端。電路板面積的減少所降低的電路板成本、產(chǎn)品可靠性和良率的提高，加上功耗的降低，將可使用更經(jīng)濟(jì)的電源及無需強(qiáng)制冷卻技術(shù)，使得成本進(jìn)一步下降。每一個嵌入式系統(tǒng)都有不同的要求，但不是所有系統(tǒng)都可從減少這些元件的應(yīng)用中獲益，不過一般來說，在下一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中使用非揮發(fā)性FPGA可能是降低總材料成本的最英明決定。

除了元件、電路板和組裝的總材料成本外，還有一些與附加非必要元件的確認(rèn)、驗證和資格認(rèn)證相關(guān)的重要 (及通常是無形的) 成本。這會使得開發(fā)進(jìn)度延遲及設(shè)計工程成本增加，即由于資源的不當(dāng)運用而削弱生產(chǎn)力。

最后，某些產(chǎn)品特性必須在設(shè)計階段與操作及制造過程一起考慮，以便提高制造的效率。選擇非揮發(fā)性FPGA解決方案可以通過簡單化的測試和簡易的產(chǎn)品驗證、提高良率、減小風(fēng)險、減小EMI、減少供應(yīng)商和降低庫存，從而降低運作成本。

保護(hù)您的投資
在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計FPGA還有幾個額外問題，其影響不能用時間或成本來計量，但對公司的總體業(yè)務(wù)可能造成破壞性的影響。嵌入式系統(tǒng)所用的FPGA技術(shù)會直接影響設(shè)計的保密性、產(chǎn)品的聲譽保護(hù)和產(chǎn)品的責(zé)任問題。

全化為電子行業(yè)帶來巨大的利益，但也帶來一些嚴(yán)峻影響。信息可以快速獲取，設(shè)計也可以通過各式技術(shù)被修改或復(fù)制，結(jié)果使得仿制或“盜版”產(chǎn)品在幾個星期內(nèi)便會在市場上出現(xiàn)。設(shè)計保密性對于公司現(xiàn)有和未來的業(yè)務(wù)、信譽、品牌資產(chǎn)、支持負(fù)擔(dān)和保護(hù)變得更為重要，比產(chǎn)品的責(zé)任和訴訟問題更甚。設(shè)計和IP在整個供應(yīng)鏈中存在著許多風(fēng)險，包括從制造商、專業(yè)設(shè)計黑客到某些用戶。當(dāng)FPGA在系統(tǒng)的核心位置取代ASIC時，系統(tǒng)不再由ASIC所保護(hù)。FPGA技術(shù)的選擇對于這些問題有著重要影響，專利和訴訟并不是制止IP盜竊的有效方法。在大多數(shù)情況下，專利的實施存在龐大的成本問題，而且效果的不確定和缺乏國際標(biāo)準(zhǔn)使其施行困難且非常耗時。當(dāng)成功贏得官司時通常已在分秒必爭的市場上輸?shù)魳I(yè)務(wù)。 　　
FPGA器件所配置的比特流如在每個供電周期暴露出來，這對于設(shè)計和公司整體業(yè)務(wù)的健康發(fā)展非常不利。截取和捕捉從外圍PROM或處理器下載的器件配置信息十分容易，而且可以在很短的時間內(nèi)復(fù)制設(shè)計。合約制造商或“黑客”在取得設(shè)計后可以對空白的標(biāo)準(zhǔn)FPGA器件進(jìn)行編程，從而建造額外 的系統(tǒng)，并且在黑市銷售。這設(shè)計也可被復(fù)制，使得原本設(shè)計產(chǎn)品及投入資源開發(fā)IP的公司業(yè)務(wù)遭受損失。

以非揮發(fā)性 Flash為基礎(chǔ)的FPGA提供了很好的方案，能解決這些問題。因為它的配置比特流是編程器件本身，因此不能被截取。這種FPGA具有很高的抗侵入能力，即使打開和拆開器件也只能看到當(dāng)中結(jié)構(gòu)，而不是非揮發(fā)性存儲器單元的實際內(nèi)容。此外，最新的 Flash FPGA解決方案還有一個集成的AES解密內(nèi)核，可進(jìn)行安全的現(xiàn)場重編程及提供過建保護(hù)。

總體擁有成本直接受到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的做法影響，特別是選擇FPGA技術(shù)時。其中必須留意與材料成本、設(shè)計和工作效率相關(guān)的成本，以及所用產(chǎn)品的隱藏成本，例如產(chǎn)品的責(zé)任和設(shè)計保密問題。以非揮發(fā)性 Flash為基礎(chǔ)的FPGA提供可以取代SRAM FPGA的解決方案，具有獨特的優(yōu)點，也許是您下一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的最佳選擇。