在嵌入式系統(tǒng)中用FPGA進(jìn)行開發(fā)的幾個(gè)發(fā)展方向

顧名思義，嵌入式系統(tǒng)指的是嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是面向特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)一般是以通用處理器或?yàn)楹诵?，在外圍電路中加入存儲器、功率?qū)動器、通信接口、顯示接口、人機(jī)輸入接口等外圍接口，再加上應(yīng)用軟件，有些還加上了嵌入式操作系統(tǒng)，從而構(gòu)成完整的系統(tǒng)。

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，SoC已經(jīng)在很多應(yīng)用中取代了傳統(tǒng)的以為中心的架構(gòu)，將很多外設(shè)和存儲器集成在一個(gè)芯片中，使系統(tǒng)的功耗和體積越來越小，而功能卻越來越強(qiáng)。

在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

現(xiàn)在的MCU和DSP的功能已經(jīng)非常強(qiáng)了，但處理能力畢竟還是有限的，廠商在推出一款器件的時(shí)候，其性能就已經(jīng)固定了。當(dāng)某一款產(chǎn)品的性能無法滿足要求時(shí)，就必須選用新的處理器，常常意味著重新進(jìn)行的設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行各項(xiàng)軟硬件的驗(yàn)證測試，所導(dǎo)致的工程資源的浪費(fèi)是非常驚人的。

是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)各種功能的器件，幾乎可以進(jìn)行任何類型的處理；對于常用的數(shù)字信號處理，有些專門還提供了DSP模塊來實(shí)現(xiàn)加速；FPGA的并行處理架構(gòu)非常適合圖像處理、數(shù)字信號處理等運(yùn)算密集的應(yīng)用；用某款芯片無法滿足要求時(shí)，還可以通過使用同樣封裝且容量更大的FPGA芯片來提供更高的處理能力，這樣就可以保持管腳的兼容性，從而無須對板進(jìn)行修改；FPGA的可編程性使設(shè)計(jì)工程師可以隨時(shí)對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，即使在產(chǎn)品部署后也能對設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行更正；FPGA不但可以完成MCU和DSP的各種功能，還可以根據(jù)需要生成新的功能，或者調(diào)配各項(xiàng)功能之間的資源配比，使同一個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)可以滿足不同的應(yīng)用需求；FPGA還可以利用現(xiàn)成的處理器內(nèi)核，直接生成軟處理器，并在其上運(yùn)行操作系統(tǒng)。

由于FPGA是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)功能的，所以其功耗和成本一般高于MCU和DSP。在幾年前，F(xiàn)PGA給人的印象一直是高高在上的價(jià)格，除了通信、、軍工、工業(yè)等少數(shù)行業(yè)，F(xiàn)PGA更多地是在扮演原型驗(yàn)證開發(fā)的角色，在消費(fèi)類電子等更廣大的市場中遲遲未打開局面。

隨著和競相采用新的制造工藝，其單位門電路的價(jià)格下降得比還要快，價(jià)格在很多應(yīng)用中已不再是障礙了。特別是在一些需要特定功能的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師在市場上找不到可以滿足要求的器件，他們就必須自己開發(fā)芯片，或者用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。但開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)在不斷提高，甚至超過了未來的收益，用FPGA就成了一個(gè)非常實(shí)際的選擇。

開發(fā)流程的演進(jìn)

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程是一般先做好硬件平臺，再在硬件平臺上面應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具進(jìn)行軟件開發(fā)。這樣做的結(jié)果是軟件開發(fā)人員必須在硬件設(shè)計(jì)完成后才能工作，或者是用各種仿真工具在虛擬的硬件平臺上進(jìn)行開發(fā)。

在用FPGA進(jìn)行開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員首先要設(shè)計(jì)輸入(FPGA廠商專用工具+語言/原理圖+IP )，然后編譯仿真(FPGA廠商工具+仿真工具)，再進(jìn)行板級調(diào)試(測試板制作+邏輯)，如果發(fā)現(xiàn)問題，再循環(huán)進(jìn)行上面的環(huán)節(jié)。

這種設(shè)計(jì)模式存在諸多問題：設(shè)計(jì)可移植性差，語言的不足及IP 的費(fèi)用昂貴，系統(tǒng)仿真的可靠性及速度瓶頸，需要制作專用測試板，外接測試儀器的局限性，測試板的重復(fù)制作導(dǎo)致開發(fā)周期延長。

此外，從原理圖設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證和仿真、電路板設(shè)計(jì)、嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試，到最后的調(diào)試，在整個(gè)過程中要用到多個(gè)廠商的不同工具，不但需要開發(fā)人員掌握各個(gè)軟件的使用方法和技巧，僅僅從資本投入上就是一筆不小的開支。而且，各個(gè)軟件之間還經(jīng)常要互相調(diào)用文件，盡管各個(gè)廠商都宣稱自己的軟件可保證兼容性，但軟件日益復(fù)雜的功能和不斷增長的代碼讓人難以對兼容性完全放心。

有沒有一個(gè)能完成整個(gè)FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化開發(fā)環(huán)境呢？有，這就是Altium Designer6.0，該軟件的前身就是被電子工程師所廣為熟知的Protel，直到現(xiàn)在，還有大量的工程師在用Protel進(jìn)行板設(shè)計(jì)。Altium Designer由三部分組成：Foundation是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)前端，包含了原理圖輸入、電路仿真和驗(yàn)證、PCB及CAM文檔資料瀏覽功能；Board Implementation可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)板級電路設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及CAM文檔編輯功能；Embedded Intelligence Implementation是基于大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA/)的設(shè)計(jì)、片上可編程嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)和實(shí)時(shí)驗(yàn)證功能。

Altium Designer拓寬了板級設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界限，將FPGA與PCB設(shè)計(jì)集成在一起，同時(shí)支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式；同時(shí)支持基于的設(shè)計(jì)仿真，混合信號電路仿真、布局前/后信號完整性分析。PCB版圖設(shè)計(jì)中的布局布線采用完全規(guī)則驅(qū)動模式，并且在PCB布線中采用了無網(wǎng)格的Situs拓?fù)溥壿嬜詣硬季€功能；同時(shí)，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。

Altium Designer支持PCB與FPGA引腳的雙向同步，提供完善的混合信號仿真、布線前后的信號完整性分析功能，提供了對高密度封裝(如BGA)的交互布線功能。

在原理圖部分，Altium Designer新增的特性包括：文件管理功能，多層次、多通道的原理設(shè)計(jì)，可自動標(biāo)注元器件，F(xiàn)PGA引腳配置導(dǎo)入，原理圖環(huán)境中的PCB規(guī)則定義，豐富的集成庫，改善的編輯、查詢和可視化。

FPGA引腳配置導(dǎo)入功能允許管腳約束文件，管腳定義可以直接來源于FPGA器件商的引腳約束文件，同時(shí)提供對引腳名稱和電氣類型定義的支持；不再強(qiáng)調(diào)必須在Altium Designer環(huán)境下完成包括FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計(jì)在內(nèi)的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在PCB部分提供了完整的由規(guī)則驅(qū)動的PCB設(shè)計(jì)環(huán)境；支持高速設(shè)計(jì)，具有成熟的布線后信號完整性分析工具；支持差分對布線；支持BGA封裝器件的逃溢式扇出功能；支持漢字輸入；支持任意可配置引腳定義器件的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化功能；Orcad、、AutoCAD和軟件的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能；完整的ODB++/Gerber CAM-系統(tǒng)使得用戶可以重新設(shè)計(jì)原有的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和制造之間的差異。PCB部分還支持布局優(yōu)化、布線功能優(yōu)化、PCB板的3D顯示、FPGA的全面協(xié)同、CAM輸出。

Altium Desigenr內(nèi)嵌的仿真軟件兼容XSPICE/PSPICE電路仿真模型，它能將仿真結(jié)果以波形的方式顯示，可進(jìn)行混合電路仿真和仿真波形顯示，支持多種仿真模型。在信號完整性分析部分，提供了消除反射和串?dāng)_分析功能，

在Altium Designer中，用戶可以用圖形化的方式來完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)自動調(diào)用FPGA廠商提供的工具進(jìn)行布局布線，設(shè)計(jì)環(huán)境中的集中過程控制和監(jiān)測功能使得信息能夠得到及時(shí)反饋從而實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)與調(diào)試。

使用“虛擬儀器”元件，工程師可以在原理圖級將“虛擬儀器”連入設(shè)計(jì)；FPGA編程后，可以從外部控制；可以實(shí)時(shí)觀察FPGA發(fā)生的情況；調(diào)試時(shí)使用JTAG 邊界掃描檢驗(yàn)FPGA的信號；用Nexus協(xié)議和虛擬儀器進(jìn)行通信并對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。

Altium Designer還提供了大量通用的預(yù)驗(yàn)證的IP ，支持通用IP 的設(shè)計(jì)，并且支持第三方提供的IP 。通過與Nanoboard NB1系統(tǒng)驗(yàn)證板的結(jié)合，可進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于目標(biāo)器件的FPGA設(shè)計(jì)。

Altium公司的這種設(shè)計(jì)方法，將硬件、軟件和可編程硬件等領(lǐng)域均被統(tǒng)一在單一的開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，可以完全控制和同步從概念構(gòu)想到完成實(shí)施的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

這種一體化開發(fā)流程的缺點(diǎn)是，盡管非常方便易用，但軟件的各個(gè)部分在性能和功能上無法全部做到領(lǐng)先，在驗(yàn)證、功能設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等方面要弱于一些專業(yè)性的或FPGA廠商自己的軟件，在需要針對器件進(jìn)行非常細(xì)致的優(yōu)化以取得最佳性能時(shí)，Altium Designer就未必是最佳選擇了。

定位不同的硬件開發(fā)板

同軟件定位不同一樣，目前眾多的硬件開發(fā)電路板的市場定位也是不同的。主流的FPGA廠商均推出了自己的開發(fā)板，為了市場推廣和銷售的需要，他們也和一些大的經(jīng)銷商合作推出開發(fā)板，更容易利用經(jīng)銷商在價(jià)格和渠道上的優(yōu)勢。

公司的主要經(jīng)銷商安富利公司開發(fā)了很多FPGA開發(fā)板，在功能上更加豐富，在定價(jià)和促銷上也更靈活。如，安富利推出的 FX PCI 開發(fā)工具套件和Virtex-5 LX開發(fā)工具套件。

圖1 FX PCI 開發(fā)套件

找到精確滿足開發(fā)人員需求的FPGA開發(fā)基板是非常困難的，在基板上添加子板是一個(gè)不錯(cuò)的方法。安富利推出的EXP擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)人員在原型設(shè)計(jì)時(shí)候可以通過子卡添加多種功能，滿足FPGA開發(fā)板的不同要求，免費(fèi)提供給設(shè)計(jì)工程師用于定制基本板和擴(kuò)展模塊。使用EXP模塊的好處是成本低、靈活性高、易于制作原型。在結(jié)構(gòu)上，半長EXP模塊可提供84個(gè)用戶I/O、32個(gè)單端信號、22個(gè)差分信號、單端時(shí)鐘輸入和輸出、差分時(shí)鐘輸入和輸出，單端和差分信號的最高頻率分別是和700MHz。

安富利提供的EXP模塊包括：視頻預(yù)處理模塊、高速ADC模塊、高速DAC模塊、ADI公司的EXP適配器模塊。有全長(126mm×80mm)和半長(108mm×80mm)兩種尺寸，采用公司高性能的QTE/QSE。

視頻預(yù)處理模塊的輸入兼容DVI、VGA、，輸出支持DVI、VGA、，具有圖像、音頻輸入和輸出。高速ADC EXP模塊采用TI的12位、50MS/s ADC，帶有14位的接口，用兩塊卡可以支持雙通道。高速DAC模塊采用TI的雙通道、16位分辨率、采樣率為1GS/s、帶16位接口的DAC。還有支持ADI公司器件的EXP適配器模塊，可以很方便地連接到90多種ADC評估板上，支持和并行接口評估板，可連到、Virtex-5和Spartan-DSP基板上。

Altium公司的NanoBoard開發(fā)板支持的范圍更廣，包括、、Actel等公司的眾多FPGA型號，與FPGA組成了可重新配置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺；NanoBoard通過打印接口與用戶PC進(jìn)行通信，支持硬件設(shè)計(jì)的下載和實(shí)現(xiàn)Live設(shè)計(jì)驗(yàn)證功能。NanoBoard還支持可插拔的FPGA子板，可以通過更換子板來調(diào)試不同的FPGA。

NanoBoard的板上資源包括：CAN總線接口、串行口、VGA接口、顯示鏈輸入輸出、外部存儲器、I2C接口、連接用戶開發(fā)板接口、連接FPGA子板的插座、系統(tǒng)時(shí)鐘、JTAG接口、PS2鍵盤和接口、多用戶I/O接口。用戶在一塊板子上就可以完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證，通過更換子卡，可以試用各廠商的不同器件，找到性價(jià)比最佳的器件，而不必重復(fù)購買開發(fā)板。

圖2 NanoBoard-NB2開發(fā)板

隨著FPGA的制造工藝向65nm、45nm和更先進(jìn)的工藝發(fā)展，F(xiàn)PGA的器件成本會越來越低。為了取得差異化的競爭優(yōu)勢，系統(tǒng)廠商必須開發(fā)出獨(dú)特的產(chǎn)品功能，但采用和ASIC都只能提供固定的有限功能，而開發(fā)ASIC的巨大成本和風(fēng)險(xiǎn)又使得ASIC只能成為少數(shù)大公司的選擇。成本不斷下降的FPGA已經(jīng)成為大多數(shù)系統(tǒng)廠商的不二之選，但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中軟硬件的不同步、需要交叉使用多個(gè)軟件、硬件開發(fā)板的支持范圍有限，可能成為阻礙更多采用FPGA的問題。Altium公司的Altium Designer是業(yè)界首個(gè)提供了一體化設(shè)計(jì)環(huán)境的開發(fā)工具，如果有更多的廠商參與開發(fā)類似的軟件工具，并不斷提高易用性和性能，才能真正將這種設(shè)計(jì)理念推廣到更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。