在FPGA中植入嵌入式系統

如今，由于可編程器件(如FPGA)容量大、性能高、成本相對較低的特性，這種平衡又在發(fā)生變化，以前硬件設計元素(如處理器及其外圍器件和邏輯塊)也可以轉移到軟領(lǐng)域(圖1)。因此，在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期內，靈活性可能更大，更改關(guān)鍵設計也更加方便，比如可以更改軟件與硬件實(shí)現之間的功能分區，甚至更改處理器的選擇。

　　與大量使用分立的現有處理器開(kāi)發(fā)嵌入式系統相比，目前開(kāi)發(fā)基于FPGA的處理器應用程序的做法仍很少。盡管FPGA已確實(shí)廣泛應用于與嵌入式系統處理器密切相關(guān)的外圍邏輯中，但除了可編程設計之外，處理器及其重要外圍器件仍保持著(zhù)導線(xiàn)連接。

　　圖1：隨著(zhù)用戶(hù)買(mǎi)得起的高性能可編程器件的問(wèn)世，設計工程師可將相當部分的硬件設計從硬連線(xiàn)平臺轉移到“軟”環(huán)境中，從而節省設計時(shí)間、簡(jiǎn)化電路板設計并降低制造成本。

　　部分原因來(lái)自于成本。FPGA的體積大、性能高，盡管能提供一個(gè)處理器的應用平臺，但與性能相當的分立MCU相比，它也更加昂貴。因此，采用FPGA方案所產(chǎn)生的額外費用限制了FPGA方案的應用范圍。不過(guò)最近，賽靈思Spartan-3系列等器件消除了價(jià)格上的限制，當這些器件與合適的基于FPGA的處理器內核相結合時(shí)，成本與收益的平衡將被打破。

　　即使價(jià)格不再是限制FPGA作為主流嵌入式系統平臺的唯一障礙，但仍存在另一個(gè)更難處理的問(wèn)題，即我們需要改變對可編程邏輯器件的總體看法。我們不能僅僅把它們看成集成邏輯塊的有效方法，而是需要擴大視野范圍，重新評估在器件(如FPGA)可重新配置的情況下我們對整個(gè)設計過(guò)程的看法。

　　對“界面友好”開(kāi)發(fā)模型的需求

　　如果在更大范圍內審度與嵌入式設計相關(guān)的FPGA現象，線(xiàn)索也許就在于微處理器本身的歷史。微處理器最初用于計算器，后來(lái)用于個(gè)人電腦。當器件價(jià)格只占一小部分產(chǎn)品成本時(shí)，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，用戶(hù)界面友好的開(kāi)發(fā)模型開(kāi)始得到廣泛應用(如高級編程語(yǔ)言C語(yǔ)言的應用)。

　　由于軟件具有很好的靈活性和強大功能，所以它們可以創(chuàng )建一種新的設計模式，該模式可以自由創(chuàng )建和修改大部分系統功能而無(wú)需重新設計硬件。采用C語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式應用程序，意味著(zhù)眾多設計工程師可以獲得其強大功能和靈活性，這促使基于處理器的嵌入式設計成為電子產(chǎn)品的主流設計。

　　FPGA可以大大增加系統中“軟”器件的數量，從而具有類(lèi)似于引發(fā)設計革命的潛力。正如前文所述，大型可編程器件現在的價(jià)格使之足以與離散處理器系統競爭。為推動(dòng)設計工程師采用FPGA器件作為嵌入式應用平臺，需要一種用戶(hù)界面友好的開(kāi)發(fā)方法。該方法既容易被大多數工程師理解，又能方便地將處理器、外圍硬件和軟件輕松集成在可編程平臺中。除此之外，一種在板極設計過(guò)程中集成FPGA設計的方法，可以讓用戶(hù)輕松應對在新的“軟”設計模型中發(fā)生的變化。

　　圖2：嵌入式產(chǎn)品智能包括軟件以及包含在FPGA中的軟連接系統器件，PCB僅成為器件智能連接外部世界的一個(gè)平臺。

　　但當我們把FPGA看作系統平臺時(shí)，在HDL領(lǐng)域獲得必需的系統器件(例如處理器與外圍器件)，并在寄存器轉換級實(shí)現它們的過(guò)程十分復雜。對那些目前還不是FPGA專(zhuān)家的大多數工程師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人生畏的過(guò)程。

　　但是，工程師在板級上開(kāi)發(fā)同樣復雜的設計系統不會(huì )遇到這些困難，因為在板級上，系統的復雜性表現在用來(lái)創(chuàng )建設計的現有器件上，而工程師只是簡(jiǎn)單地使用這些器件，并不需要了解其內在復雜性。

　　因此，挖掘FPGA作為主流嵌入式系統平臺的潛能，關(guān)鍵就在于提供當前板級設計與基于FPGA的系統設計之間的無(wú)縫轉換。