由于經(jīng)濟下滑損及開發(fā)預算減少 嵌入式系統(tǒng)設計者正轉(zhuǎn)向FPGA技術(shù)

由于經(jīng)濟下滑損及開發(fā)預算減少，嵌入系統(tǒng)設計者正在轉(zhuǎn)向FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)，以縮減開發(fā)周期、對抗設備老化以及簡化產(chǎn)品升級。通過采用數(shù)量龐大且不斷增加的FPGA開發(fā)工具、可重用邏輯單元以及市售商用模塊，設計者可以構(gòu)思出高性能嵌入系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)需求變化作重新配置，從而盡量減少對工程和制造的影響。過去，電路板設計者使用這些器件作系統(tǒng)元件之間的互連，但最新的高密度產(chǎn)品也可以替代一個典型嵌入項目中的處理器、內(nèi)存、定制邏輯及很多外設。盡管它有能力改變嵌入架構(gòu)，設計者仍應分析性能、功率和成本局限，以確定FPGA技術(shù)最適用的地方。

自20世紀70年代可編程邏輯陣列出現(xiàn)以來，F(xiàn)PGA技術(shù)已發(fā)展成為一個興旺的市場。盡管每家供應商FPGA的精確結(jié)構(gòu)不同，但基本FPGA架構(gòu)都包含了有電可編程互連的邏輯塊陣列，用戶或設計者可以在制造以后作配置。早期的器件有數(shù)千個等效門，但今天這一數(shù)量已增長到數(shù)百萬。這種互連靈活性使設計者能夠建立準確匹配于特定嵌入應用需求的硬件功能。除了邏輯塊以外，最新器件還在硅片中嵌入專用處理器，使設計者能夠作出軟硬件權(quán)衡，滿足性能的需求。

在相符合的嵌入應用中，F(xiàn)PGA技術(shù)為開發(fā)人員提供了多種針對分立實現(xiàn)或定制邏輯實現(xiàn)的優(yōu)勢。很多有經(jīng)驗的設計者在說到自己采用FPGA的主要原因時，都會提到較短的開發(fā)日程、更低的非重復成本以及量產(chǎn)后合并改動的能力。在高性能應用中，設計者可以建立多個并行的計算結(jié)構(gòu)，其性能超過專用處理器。FPGA有一個經(jīng)常被提及的缺點，那就是與通用處理器或定制ASIC相比需要更多的功耗。同樣，由于存在多個導通晶體管和連接路徑的電阻，采用FPGA的產(chǎn)品也慢于相比的普通設計。雖然沒有考慮其他方案的開發(fā)時間，但FPGA技術(shù)的重復成本高于普通電路或定制電路。

FPGA采用多種技術(shù)作互連和邏輯塊的編程。例如，反熔絲硅結(jié)構(gòu)（antifuse-silicon）在其兩端施加一個高電壓時，會建立一個低電阻的鏈接。其優(yōu)點包括低串聯(lián)電阻和低寄生電容，但主要缺點是采用反熔絲的FPGA是一次寫入器件，因此無法重新配置。最常見的編程技術(shù)是靜態(tài)RAM單元，通過使能和禁止導通晶體管而對FPGA結(jié)構(gòu)編程。雖然要多個晶體管才能實現(xiàn)一個存儲單元，但SRAM有快速的可重編程能力，并且可以用常規(guī)的硅CMOS技術(shù)來實現(xiàn)。基于SRAM的FPGA還需要一個外部引導器件，在上電時設定存儲器。另外也可以用EPROM、EEPROM和閃存技術(shù)作FPGA編程，優(yōu)點也是可重復編程能力，而無需外接引導器件。

制造商也創(chuàng)造出多種對FPGA電路作描述和編程的方法。最常見的方法是采用一種HDL（硬件描述語言），如Verilog或VHDL（超高速集成電路HDL），描述一個設計的功能和結(jié)構(gòu)。一旦定義了架構(gòu)，就可以用另外的工具在一款規(guī)定的FPGA上實現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)。這個過程包括了電源與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后是硬件分區(qū)、布局以及互連的布線。最后階段是將設計裝入目標FPGA，在真實的硬件環(huán)境中作測試。

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圖1 National Instruments公司的嵌入軟件評估工具套件使用戶能夠從一個圖形化的框圖，創(chuàng)建、編譯和運行FPGA應用

隨著FPGA功能伴隨復雜性和密度而增長，設計者發(fā)明了各種方式來交換HDL代碼的模塊化塊，這樣其他人就可以整合到自己產(chǎn)品中。這些功能塊一般叫做IP（知識產(chǎn)權(quán)）核心，它使制造商能夠重新使用以前設計中的電路部件，或只要簡單地從外部購買功能。IP核心的實例包括UART、以太網(wǎng)接口、編解碼器和微控制器等。制造商直接在一個FPGA硅片上物理地實現(xiàn)硬IP核心，并以HDL代碼形式提供軟核心，它可以跨多種器件作移植。IP核心可從FPGA供應商和第三方供應商處直接獲得，或從Open Cores等來源的免費開源HDL代碼獲得。商用IP通常要付費，并包括有文檔、驗證工具和支持。

對一些FPGA開發(fā)者來說，設計安全性與IP損失可能是一個主要考慮因素。在有些情況下，尤其是那些在外部保存配置數(shù)據(jù)，并在上電時將其傳送給FPGA的SRAM型設計，IP信息比較脆弱。為防止IP損失，F(xiàn)PGA供應商采用非易失性編程技術(shù)以及嵌入序列號來跟蹤偽造產(chǎn)品。

所有FPGA供應商都提供一個工具集，包括編程工具和與器件配套的IP。例如，Xilinx公司的Virtex-5 FX70T版EDK（嵌入開發(fā)套件），提供了一個ML507開發(fā)板、Platform Studio嵌入工具組件以及ISE（集成軟件環(huán)境），支持PowerPC 440硬處理器和MicroBlaze軟處理器（圖1）。該套件具有一個集成開發(fā)環(huán)境、多種軟件工具、配置向?qū)?，以及IP目標的嵌入設計。用戶可以在邏輯圖編輯器中輸入一個電路，對電路時序性能作仿真，對Virtex-5 FPGA作編譯，然后在ML507原型板上測試設計。Virtex-5 FX70T EDK可以在線購買，價格為2595美元。

圖形設計

FPGA開發(fā)工具也可以從第三方供應商和嵌入板制造商處獲得。例如，National Instruments公司最近推出了一款采用FPGA的單板RIO（可配置I /O）模塊，適用于嵌入應用，同時還有一個評估套件，用其LabView圖形設計軟件演示編程技術(shù)。新模塊在一塊8.2英寸×5.6英寸 PCB（印制電路板）上包括了一個實時嵌入處理器和一個可配置FPGA， 另外還有模擬與數(shù)字I /O。該模塊采用一只266 MHz或400 MHz飛思卡爾MPC5200處理器、Wi n d Ri v e r 公司的VxWorks實時操作系統(tǒng)，以及一片Xilinx Spartan-3 FPGA。板上的模擬與數(shù)字I/O直接連接到FPGA上，提供對時序和I/O信號處理的低層定制。單板RIO器件的起價為1000美元（100件以上）。

為支持單板RIO，Na t i o n a l Instruments公司還推出了嵌入軟件評估工具套件， 為嵌入應用評估LabView Real-Time和LabView FPGA的編程經(jīng)驗。該套件包括擴展的評估軟件、一個NI單板RIO評估器件、一個用于I /O接口的子板、一個電源、電纜、一個分步教程，以及多個可在LabView中立即運行的普通嵌入任務實例（圖2）。該套件包括多個練習，通過在LabView中構(gòu)建和微調(diào)圖形化塊圖，學習創(chuàng)建、編譯和運行FPGA應用。LabView嵌入平臺評估套件的90天版本價格為999美元。

越來越多的商用電路板制造公司正在采用FPGA技術(shù)滿足復雜的設計需求，并允許作未來的修改。

例如，Quantum3D承諾在安全與保密關(guān)鍵應用中提供不過時的硬件，如主要的飛行儀表和MLS（多層安全）系統(tǒng)，它采用的是新型Sentiris AV1 PCI XMC（express mezzanine card）（圖3）。供應商采用了一個基于FPGA視頻與圖像處理核心的組合，而不是傳統(tǒng)的專用GPU（圖形處理單元）。雖然Sentiris AV1最初設計用于飛行認證的圖像生成應用，但它也適用于其他用途，如醫(yī)療應用中的實時圖像。該產(chǎn)品有模擬與HD-SDI（高清晰串行數(shù)字接口）視頻輸出，其視頻與圖形處理能力可實現(xiàn)駕駛室和關(guān)鍵任務應用中的3D圖像。Sentiris AV1提供512MB的ECC保護DDR2內(nèi)存、雙HD-SDI輸出，以及八通路的PCIe（外設部件快速互連）。Sentiris AV1的起價為9980美元。

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圖2 Quantum3D公司的Sentiris AV1 PCIexpress中間卡集成了一個FPGA視頻與圖形處理核心，以應對設備更新問題

FPGA技術(shù)有出色的并行處理能力，因此很適合于高性能、多通道應用，如軟件無線電、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。例如，Pentek最近推出了Model 7151高分辨率軟件無線電模塊，用于GSM（全球移動系統(tǒng)）通信手機監(jiān)控以及信號智能應用（圖4）。四個200MHz、16 bit ADC饋給一個專有的FPGA IP核心，它提供256個DDC通道（數(shù)字下變頻）。你可以將每組64個 DDC通道配置給一個特殊的輸出信號帶寬，以適合需要混合信號類型或多種調(diào)制方法的應用?？梢詮娜魏嗡膫€ADC中獨立獲得每個DDC組，一般分配給特定的天線。Model 7151使用戶能夠同時捕捉覆蓋一系列調(diào)制方式、信號帶寬和天線來源的數(shù)百個信號。Pentek提供ReadyFlow電路板支持包，為開發(fā)人員提供一個完備的硬件初始化、控制和應用函數(shù)庫，用于Linux、Windows或VxWorks操作系統(tǒng)。Model 7151 PMC（PCI中間卡）模塊版的價格為14500美元。

圖3 Pentek公司的Model 7151軟件射頻模塊采用了一個專利的FPGA-IP核心，提供256通道的數(shù)字下變頻

嵌入標準

嵌入系統(tǒng)的標準化組織也正在采用一種基于FPGA硬件的新設計規(guī)范。例如，最近被批準的VITA（VMEbus國際貿(mào)易協(xié)會） 57.1 FMC（FPGA中間卡）標準使開發(fā)人員便于將FPGA集成到嵌入系統(tǒng)設計中。該規(guī)范定義了在工業(yè)標準中間卡上的I/O設備，你可以將它們連接到基板上的FPGA上。FPGA直接控制這些設備。FMC方案使你可以在多個項目上重用一個FPGA設計，只需要簡單地替換I/O部分。一個FMC模塊大約是標準PMC模塊尺寸的一半。Curtiss-Wright公司的下屬企業(yè)Vmetro推出了基于FMC標準的第一款I(lǐng)/O模塊。ADC510現(xiàn)有采用風冷和傳導冷卻的堅固版，集成了兩個12 bit、500 MHz ADC芯片，用于數(shù)字信號處理應用，如雷達、信號智能和電子對抗。

低成本的市售商用嵌入模塊也采用FPGA技術(shù)，為定制應用的設計者提供了靈活性。例如，Technologic Systems公司的TS-7370是一種PC/104外形、可接LCD的單板機，該公司采用了Cirrus公司的EP9302 200 MHz ARM9 CPU和一個用戶編程的Lattice XP2 FPGA（圖5）。該公司產(chǎn)品可接LCD，因為FPGA連接到了一個專用的RAM幀緩沖，使用戶能夠在FPGA上建立一個定制視頻核心，為大多數(shù)彩色TFT（薄膜晶體管）LCD面板提供接口。TS-7370支持多種嵌入系統(tǒng)應用，其外設接口包括板載RAM、10/100 Mbps以太網(wǎng)、USB 2.0主機、串行口、一個SD（數(shù)字安全）卡槽、ADC通道、數(shù)字I/O線、溫度傳感器，以及一個實時時鐘。TS-7370開創(chuàng)性地運行Linux 2.6，價格為149美元（100件）。

當設計團隊努力適應降低的預算和增加的系統(tǒng)復雜度時，F(xiàn)PGA器件與開發(fā)工具也成為新的嵌入設計中的主要考慮因素。FPGA提供用單一硬件設計建立多種系統(tǒng)配置的方式?？芍嘏渲闷骷τ诟咚?、多通道系統(tǒng)有特殊的價值，它的性能需求很難用傳統(tǒng)的微處理器架構(gòu)滿足。雖然FPGA增加的重復成本和功耗要求限制了它們的應用，但中低批量的項目可以受益于減少的風險、縮短的設計周期以及最低的非重復工程，因此FPGA是一種很好的選擇。