FPGA到ASIC的整合為車(chē)用微控制器帶來(lái)靈活性
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另外，在當今汽車(chē)領(lǐng)域，終端市場(chǎng)需求的善變更是屢見(jiàn)不鮮，想用的MCU常常無(wú)從購買(mǎi)。甚至許多有專(zhuān)門(mén)特性和固定數量專(zhuān)用接口的MCU經(jīng)過(guò)短暫的評估階段后就不再能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，系統供應商不得不重新設計硬件及編寫(xiě)相關(guān)軟件，在某些情況甚至必須改變處理器內核。
微控制器的兩難處境
微控制器制造商面對的是影響整個(gè)市場(chǎng)的挑戰。MCU是一種特殊應用的產(chǎn)品；因此每一應用都需要一款具有不同性能集的新器件。為了使單個(gè)內核架構能夠服務(wù)更大的市場(chǎng)需求，制造商提供多種規格、并且具有不同接口和功能的MCU系列產(chǎn)品。在大多數情況下，該特性集并不能滿(mǎn)足客戶(hù)特定需要；所以對批量大的客戶(hù)需求，不得不圍繞一個(gè)特定內核架構來(lái)衍生出一款具有新接口和新功能的器件。
當MCU是用制造成本相對較低的老工藝技術(shù)實(shí)現時(shí)，這種策略是成功的。但隨著(zhù)系統集成度的提高，先進(jìn)的工藝技術(shù)被越來(lái)越多地采用，因此開(kāi)發(fā)新的MCU變種需要的費用非?？捎^(guān)。因只有為數不多的目標市場(chǎng)能提供所需批量，所以為了滿(mǎn)足某個(gè)客戶(hù)需求單獨開(kāi)發(fā)一款專(zhuān)門(mén)器件的作法在經(jīng)濟上是行不通的。
這樣，新MCU就配備起越來(lái)越豐富的特性以迎合全部市場(chǎng)需要，其戰略是轉向功能更豐富的標準產(chǎn)品而不是特殊應用器件。雖然這些標準產(chǎn)品的功能很強大，但其成本也急劇升高，也就更難滿(mǎn)足諸如汽車(chē)電子等對成本很敏感的市場(chǎng)要求。
若不消除造成這種兩難局面的根源，我們將束手無(wú)策，而根源就是芯片內的功能是一成不變的。因此顯然需要一種新的設計方法。
靈活MCU的概念
破除該謎局的方法是用FPGA靈活地實(shí)現各功能。FPGA能顯著(zhù)縮短工程開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低多次硅返工造成的損失，因此它是取代MCU的一個(gè)強有力且可行的替代方案。例如，采用基于FPGA的方法來(lái)為汽車(chē)音響和導航設備開(kāi)發(fā)靈活的圖像系統可將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短6個(gè)月。
與不具備所需特性的MCU不同，在設計過(guò)程中，可根據需要對FPGA進(jìn)行編程和反復編程，從而更快地生成原型、加快產(chǎn)品上市進(jìn)度。若需要改變，還可在現場(chǎng)對FPGA實(shí)施升級，即使該FPGA已被安裝在產(chǎn)品內。
汽車(chē)圖形控制器是FPGA優(yōu)于傳統MCU的關(guān)鍵應用之一。在汽車(chē)市場(chǎng)，雖然在諸如圖形等功能有限的應用中采用低成本FPGA的作法已深入人心，但若用可編程器件實(shí)現更復雜的功能則過(guò)于昂貴，原因在于實(shí)現可編程能力對芯片開(kāi)銷(xiāo)有巨大要求。
但由于目前已能從FPGA無(wú)縫轉換為結構化ASIC，因此有可能實(shí)現一款既具高性?xún)r(jià)比又真正滿(mǎn)足用戶(hù)要求的MCU，其特性可以從一個(gè)大的預先定義好且可擴展的構建模塊庫中按需索取。
它與傳統MCU的主要區別是，從原型FPGA到最終MCU可以實(shí)現無(wú)縫移植。從靈活的MCU概念上講，CPU和總線(xiàn)架構都是唯一的，并且可以根據特定客戶(hù)應用要求的實(shí)際功能和特性映射至設計。
RISC CPU
在A(yíng)ltera概念中使用的CPU是款軟RISC處理器。但與一般情況不同的是，該處理器并沒(méi)構建在一個(gè)預先規定好且無(wú)法改變的芯片內。相反，它是根據系統架構師/設計工程師借助可用工具定義的規范自動(dòng)生成的，并與整個(gè)電路所需的其余邏輯一道下載進(jìn)FPGA。因此，可根據特定應用要求并借助相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具對處理器內核進(jìn)行參數表征。更重要的是，它能實(shí)現真正需要的功能和對應需要的邏輯消耗。
在基于A(yíng)ltera的靈活MCU應用中，Nios?II嵌入式處理器采用的是具有32位獨立地址和數據總線(xiàn)的標準RISC架構。兩條總線(xiàn)都通過(guò)獨立緩存操控，且可連續獨立地接入總線(xiàn)系統。最后，由系統架構師決定對程序和數據是采用獨立的存儲空間還是共享存儲器。Nios?II嵌入式處理器內置有一般處理器都有的許多功能單元，但參數設置決定其特性。例如硬件乘法器、桶式移位器以及硬件除法器可作為選配功能。指令和數據緩存也一樣，其容量可以不同，或被徹底排除在外。
總線(xiàn)架構
MCU通常采用單總線(xiàn)架構，其中有個(gè)仲裁器用于監控作為分布式資源的總線(xiàn)。由于作為系統中心資源的總線(xiàn)將迅速成為瓶頸，這種架構存在嚴重的缺陷。為此，在更新的系統(特別是系統級芯片實(shí)現)中已采用多層總線(xiàn)架構，其中各條總線(xiàn)是并行工作的。目前的FPGA總線(xiàn)架構情況基本相同。區別在于：在其它多層總線(xiàn)實(shí)現中，采用的層數是靜態(tài)的；而FPGA總線(xiàn)構建方法可按需選擇層數。
當考慮電磁兼容性(EMC)和功耗問(wèn)題時(shí)，有時(shí)使一種外設模塊工作于與整個(gè)系統其余部分不同的頻率會(huì )帶來(lái)額外的好處。例如，使存儲器接口工作在更快速度(而系統其余部分工作在較低時(shí)鐘速率)將相應縮短存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。另一種情況是在較低時(shí)鐘頻率足夠用的地方整合多個(gè)模塊。
為滿(mǎn)足EMC或功耗要求，采用諸如SOPC Builder等高級系統設計工具可以很容易將這些部件與系統內以很高頻率工作的那些部件分離。這種工具可以自動(dòng)生成同步這些不同時(shí)鐘域所需的邏輯，設計師只需指明在一個(gè)給定時(shí)鐘域都運行著(zhù)哪些模塊。
在FPGA內實(shí)現MCU
因汽車(chē)MCU系統的復雜性比單純圖形控制器要高得多，所以在大多情況下FPGA一般用于原型邏輯生成。由于FPGA具有全面驗證、固件開(kāi)發(fā)及現場(chǎng)測試的能力，所以選用FPGA進(jìn)行原型生成將極大降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險。另外，通過(guò)用FPGA進(jìn)行原型生成，設計師能以“在系統內”的方式運行該FPGA，以便利用真實(shí)環(huán)境進(jìn)行驗證，從而可能檢測出在仿真時(shí)沒(méi)被發(fā)現的設計缺陷。
軟件開(kāi)發(fā)已占整個(gè)開(kāi)發(fā)周期的大頭。由于軟件開(kāi)發(fā)要花更長(cháng)時(shí)間、需更多資源，因此可以利用原型系統縮短整個(gè)開(kāi)發(fā)周期并發(fā)現設計缺陷、兼容性問(wèn)題，并通過(guò)新的硬件功能來(lái)支持無(wú)法用軟件正確處理或實(shí)現的功能。
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