融合：FPGA與生俱來 - 全文

　　本文核心提示：融合為電子技術的行業(yè)應用帶來了更適合的方式，而FPGA與生俱來的屬性更使得這些方式呈現(xiàn)出多樣性。

　　周立功最近出了本名為《新編計算機基礎教程》的書，觀后認為，書中講授電子技術知識的方式，蘊含計算機與半導體的淵源，使人仿佛再次看到那個年代親手搭建第一臺單板機的樣子……他們不斷追隨，沒過多久，單板機上的多個分離器件就被半導體工藝的進步給融合為集成電路。不可否認，這種融合為電子技術的行業(yè)應用帶來了更適合的發(fā)展方式，而FPGA與生俱來的屬性更使得這些方式呈現(xiàn)出多樣性。

　　FPGA器件擴展ASSP功能

　　當不同電壓的器件在一塊PCB上集合時，面臨兼容各種電平標準的問題，有了FPGA，情況大為改觀。

　　在電子產品設計中，曾使用FPGA器件彌補ASSP器件功能上的不足。通用的MCU器件也許在智能家居主控單元中或者電表集抄器上無法提供足夠的UART外設端口，F(xiàn)PGA的邏輯單元以及雙口RAM資源的運用，能夠以最少的硬件電路消耗完成多路UART接口的擴展，而且是輕松實現(xiàn)。因為各個FPGA廠家提供了經過充分驗證的IP核。

　　同時，我們曾經也使用FPGA器件來增強或擴展ASSP器件已具備的功能。當不同電壓標準的器件在一塊PCB上集合時，設計者面臨兼容各種電平標準的問題，或許MCU僅能夠提供1.8V LVTTL，但有了FPGA的引入，情況將大為改觀。FPGA的多電平標準Bank I/O能夠完成1.8V LVTTL到3.3V LVCMOS、2.5V LVTTL等電平的完美橋接并不降低速度。

　　另外，我們還一直看重FPGA器件的高速的并行執(zhí)行能力。數(shù)字0與1的翻轉時間在FPGA器件中能夠輕易小于零點幾納秒，這賦予了它無與倫比的集成電路速度。我們在大型的通信設備中能夠看到他的性能，一些高速端口在處理數(shù)十條信道中的復雜的通信協(xié)議編碼與解碼，同時另一些I/O在并行處理多達10路的高速ADC送來的數(shù)據(jù)。

　　扮演控制核心角色

　　足夠大的可編程邏輯門陣列將可以實現(xiàn)任何數(shù)字電路。內嵌式MCU與FPGA的融合是正在上演的重頭戲。

　　后來，SoC的概念被提出，F(xiàn)PGA器件開始以控制核心的角色登臺。如果所有的數(shù)字電路都是邏輯開關，那么足夠大的可編程邏輯門陣列將可以實現(xiàn)任何數(shù)字電路。無疑，內嵌式MCU與FPGA的融合是正在上演的重頭戲。

　　Altera半導體推出的NiosII軟核處理器是標志性的SoC。NiosII處理器在FPGA邏輯中完整的運行軟件編譯代碼并且不輸性能，最重要的是能夠與FPGA Fabric無縫連接，融合為一體。Altera半導體提供通過驗證的一系列IP Core能夠使得設計者輕易完成自定義的SoC系統(tǒng)搭建。我們看到大學中的愛好者在廠家的技術資料參考下能夠順利完成基于DDS技術的任意波形發(fā)生器設計，并帶有LCD顯示屏和觸摸屏的人機交互GUI菜單，然后通過文件系統(tǒng)的支持將波形數(shù)據(jù)存入SD卡。

　　Microsemi公司的FPGA產品，早期在ProASIC3系列器件中實現(xiàn)嵌入ARM公司授權的標準MP7以及Cortex-M1內核，方式與Altera半導體的NiosII類似，但是這類方式有同一個短板——需要在FPGA器件外面增加額外的MCU所需內存器件，這使設計者又想起了傳統(tǒng)的單板機式系統(tǒng)思路。不過很快，Microsemi半導體Fusion（融合）器件系列的誕生第一次使SoC的概念變得清晰。Fusion系列器件內嵌了多達512KB的用戶可用FlashMemory，設計者可以在需要嵌入Cortex-M1或者8051S處理器內核的時候，將程序運行的C Code存儲在器件內部的FlashMemory中，當然也可以用來存儲字庫、數(shù)組等用戶數(shù)據(jù)。Fusion的另一個創(chuàng)新在于將多達30個通道并包含比較器等調理電路的ADC集成于單芯片內，實現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路的融合……現(xiàn)在，我們以上曾經做過的FPGA設計一定程度上可以統(tǒng)一到Fusion器件的單芯片SoC平臺了。

　　利用Fusion的FPGA+Analog+“MCU”架構，我們曾成功協(xié)助設計者定制其專屬的多核SoC系統(tǒng)。該產品的PCB面積有限，而傳統(tǒng)的行業(yè)方案或許需要2-3顆MCU來并行處理才能夠得以完成?；谠O計者已有的軟件算法，我們推薦一顆Fusion器件并順利協(xié)助設計者嵌入2顆MCU軟核完成設計，他同時將原來的PCB縮減50%。而實現(xiàn)的這些功能包括數(shù)據(jù)的多通道配置、數(shù)據(jù)格式的算法、系統(tǒng)的多路模擬量監(jiān)控（ADC模擬模塊）、GPRS的遠程通信協(xié)議和加密算法。在以后的相當長的一段時間里，公司多次對設計者推薦這一項真正單芯片的軟核SoC解決方案并不斷獲得認可，“融合”這個詞的意義初顯。

　　內嵌硬核處理器拉開序幕

　　硬核將晶圓面積變得更小而性能更高，也省去設計者調用軟核處理器之外全總線掛接的調試步驟。

　　有了軟核對于SoC技術的拓荒，半導體廠家開始考慮比較軟核的邏輯單元門數(shù)與硬核的晶圓面積之間的平衡，于是，由FPGA半導體廠家主導的內嵌硬核處理器拉開序幕。Xilinx半導體與PowerPC的結合、Altera半導體與Cortex-A的結合、Microsemi半導體SmartFusion器件內部帶有Cortex-M3硬核和通用外設部件……硬核利用半導體工藝的優(yōu)勢將晶圓面積變得更小而性能更高，同時也省去了設計者調用軟核處理器之外全總線掛接的調試步驟，減少設計者自設計軟核系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。

　　通過長時間與Microsemi半導體的接觸，發(fā)現(xiàn)設計者對SmartFusion系列器件在原有Fusion的結構基礎上形成真正的硬件FPGA+Analog+MCU的結構有著更加快速的認可，并在設計推廣中收獲一些代表性的方案應用。在工業(yè)場合，SmartFusion器件采用的已被廣泛應用的Cortex-M3標準ARM內核，使得設計者很容易將原來的同樣內核MCU的設計無縫移植過來，同時，官方及周立功公司等提供完善的技術支持，設計者可以在SmartFusion器件的硬核和以太網MAC中運行實時操作系統(tǒng)支持TCP/IP協(xié)議，而官方也提供了廣泛應用與工業(yè)的實時以太網IP解決方案。這樣，設計者將多路ADC采集的模擬量數(shù)據(jù)整合上傳，同時Cortex-M3接收主機端的控制指令通過AHB內部總線驅動FPGA邏輯部分的多路SVPWM實施MOSFET橋電路的精確控制。這樣的應用在電機控制及高壓變頻器中是比較普遍的，而讓人高興的是，SmartFusion器件可以通過啟動IAP方式使用內核來更新FPGA邏輯的程序，使器件遠程更新變?yōu)楝F(xiàn)實，也提供了在這類較為危險的場合下為保障調試人員安全的一種解決方案。

　　前不久，幫助一位FPGA設計者分析幾段HDL的設計，其中不同的編碼方式使得同樣功能的兩個模塊在時序上的布局布線竟產生了截然不同的差異，輸出難以解釋的混亂數(shù)據(jù)，期間百思不得其解?！盎蛟S他們（模塊）想要平等的待遇”——僅僅打趣的一句話而已，沒想到在更改為同樣的編碼位后問題得以解決！再次感慨現(xiàn)在的設計也需要融合哲學的思想！從電阻電容到集成電路，從開關管到可編程邏輯陣列，從8086的CPU雛形到盛行于世的ARM與SoC……當電火花遭遇半導體，人類的智慧使得它變得有序和富有靈魂！原來這是一場融合的大革命，持續(xù)百年并且仍在延續(xù)。