以智能型混合信號FPGA開(kāi)發(fā)真正符合需求的系統

單芯片系統對嵌入式系統設計師來(lái)說(shuō)，往往會(huì )隨著(zhù)其面對的不同的系統設計而各有不同。例如，在龐大的娛樂(lè )或通信消費產(chǎn)品市場(chǎng)中，SoC意味著(zhù)一顆具有數百萬(wàn)邏輯門(mén)的集成電路(IC)，其中包含許多大型定制邏輯模塊，并有將芯片的數字處理性能與外部世界連接的混合信號功能。在現實(shí)世界中，能夠支持這樣大規模的SoC開(kāi)發(fā)的項目數量非常有限。

要實(shí)現能夠將所有重要功能集成在單一器件的設計理由很簡(jiǎn)單，因為這樣就能將材料成本、部件庫存及電路板面積減至最低。另外，相較于多芯片解決方案，單芯片方案的功耗也較低，同時(shí)也有助于提高對知識產(chǎn)權的保護。如果一項設計功能的精髓能夠深植于單一芯片上，將會(huì )大大增加第三方取得這項設計的困難度。

單芯片夢(mèng)想
對大部分的設計團隊來(lái)說(shuō)，這樣的SoC目標仍然是一個(gè)夢(mèng)想。能夠大量生產(chǎn)以支持一個(gè)完全定制化混合信號芯片開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品仍然是少數。絕大部分的產(chǎn)品都是采用專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)或微控制器作為其解決方案的核心。在這樣的情況下，想要找到一個(gè)能夠完全符合項目需求的器件通常是一大難題。就定義來(lái)看，ASSP能夠為某一特定應用領(lǐng)域的設計問(wèn)題提供一種解決方案，但是這樣的典型解決方案不可能完全符合真實(shí)世界中的項目需求。結果，通常是采用性能和參數超過(guò)需求的器件，或開(kāi)發(fā)附加電路以彌補標準產(chǎn)品與實(shí)際需求之間的落差。此外，ASSP的靈活度不高，一旦選用了某顆IC，它的功能往往會(huì )限制產(chǎn)品后續的設計進(jìn)展。

大部分的常用解決方案都不免會(huì )以微控制器(MCU)為基礎。雖然其軟件可編程性可提供不錯的靈活度，但是很少有MCU能提供與典型嵌入式設計需求完全相符的功能。大部分這類(lèi)的設計都會(huì )在MCU之外另加入不同形式的可編程邏輯(FPGA或CPLD)，以增加硬件中的邏輯功能。盡管現今市場(chǎng)上有各種帶有不同外設的MCU可供選用，但是絕大多數的嵌入式系統電路板上都沒(méi)有提供各種作為信號調節和I/O連接用途的模擬器件。

混合信號FPGA
愛(ài)特過(guò)去一直在通過(guò)提供Fusion混合信號FPGA，為上述設計提供解決方案。Fusion混合信號FPGA在單一器件上結合了高密度可編程邏輯和可配置模擬電路功能，另外還包括大容量的閃存模塊、完整的時(shí)鐘生成、管理電路以及在FPGA邏輯中嵌入微控制器軟核等設計選項。

SmartFusion混合信號FPGA將高密度、基于閃存的FPGA、一個(gè)具完整外設組合的ARM Cortex -M3微控制器內核，以及高效可編程模擬功能全部都集成在一顆單芯片上。

圖1 SmartFusion混合信號FPGA結構

ARM Cortex-M3處理器已不需要太多介紹。在SmartFusion芯片中，Cortex-M3處理器是個(gè)100MHz(125 DMIPS)器件，擁有最高容量為512KB的閃存和128KB的SRAM。在此系列FPGA中，處理器是一個(gè)硬核，這代表它是以最小面積來(lái)實(shí)現的，可帶來(lái)多項好處。它的效能足以執行復雜算法，像精密電機控制、數個(gè)電機的多軸控制等。此外，在諸如系統管理等應用中，它能執行所有的電壓監測、排序、風(fēng)扇控制，以及相關(guān)的系統基本運作，同時(shí)還具備充裕的能力來(lái)執行更高級、用戶(hù)應用級別的任務(wù)。

外設與接口
與在SmartFusion器件中以更小面積實(shí)現處理器硬核的方式相同，此器件也包含了常用外設的完整組合。

圖2 SmartFusion系列器件具有豐富的外設及接口

SmartFusion器件提供一個(gè)10/100 Ethernet MAC(媒體存取控制器)和其他接口，諸如SPI、I2C以及UART。大量的數字(FPGA)I/O最快可執行350MHz，并支持LVDS、PCI和LVPECL等I/O接口標準。慣于采用微控制器進(jìn)行設計的工程師會(huì )喜歡此器件所包含的其他特性和功能，例如，實(shí)時(shí)時(shí)鐘、DMA控制器、外部存儲控制器、定時(shí)器和看門(mén)狗(watchdog)功能。

在硅片上，除了ARM Cortex-M3內核，還有豐富的基于快閃的ProASIC 3 FPGA邏輯。此可編程邏輯可提供350MHz的系統效能；同時(shí)，SmartFusion系列器件最高可提供50萬(wàn)門(mén)的可編程邏輯和108KB的內建SRAM?；诳扉WFPGA架構可完全免于由高能量輻射引發(fā)的固件錯誤(radiation-induced firm errors)，此現象有時(shí)會(huì )影響基于SRAM的器件，同時(shí)也是許多嵌入式系統設計人員的主要考慮因素。由于FPGA的配置是設定在快閃單元(flash cell)中(ARM內核可從片上閃存執行)，而整塊芯片是上電即用，無(wú)須等待配置文件從ROM或EPROM加載的時(shí)間。此外，閃存也能允許用來(lái)進(jìn)行現場(chǎng)升級，但是有時(shí)出于系統安全考慮，這種現場(chǎng)升級功能被取消。在編程結束之后，進(jìn)一步存取配置存儲器可被設置為永遠停用。