整合ARM、FPGA與可編程模擬電路設計的單芯片

設計人員極少實(shí)現單芯片解決方案，原因之一在于他們只能在有限的預定義功能組合中作出選擇。其它原因還包括應對設計變化的靈活性：功能與初始規格的匹配越精確，往后在項目進(jìn)展過(guò)程中能夠適應不斷變化的要求的空間就越小。然而，一旦解決方案要采用多芯片來(lái)實(shí)現，設計安全性的問(wèn)題就凸顯出來(lái)了。由于芯片間布線(xiàn)板級暴露，而且MCU代碼和/或FPGA配置數據沒(méi)有加密，整個(gè)設計便很容易被盜版。

而隨著(zhù)Actel SmartFusion器件的推出，設計人員現在可以使用單芯片解決方案來(lái)提供期盼已久的可編程邏輯、可編程模擬電路與一個(gè)功能強大的業(yè)界領(lǐng)先32位架構微控制器內核的結合。最重要的是，有一個(gè)同樣全面的工具鏈支持該器件的廣泛靈活性(模擬和數字功能均可定制)與ARM Cortex-M3處理器的軟件可編程性相結合。

F2: SmartFusion中的可編程模擬模塊(包括：精度為1%的ADC和DAC、多達3個(gè)采樣頻率為600 Ksps的12位ADC、最多三個(gè)12位第一階sigma delta DAC、 最多10個(gè)50 ns高速比較器以及集成多種溫度、電壓和電流監控功能。)

愛(ài)特(Actel)公司在非易失性閃存工藝方面的戰略性投資，帶來(lái)了是三項截然不同的技術(shù)的整合。其優(yōu)勢相當明顯：快閃編程器件把它的可編程邏輯配置數據和微控制器程序代碼永久性存儲在片上，因此它能上電即用，而不必等待從鄰近的EEPROM 裝載配置數據。而這也大大有助于解決知識產(chǎn)權(IP)安全性問(wèn)題，因為配置數據不再因器件間的傳送而暴露，從而避免被中途截取或被盜。更進(jìn)一步的保護是出廠(chǎng)保護，即閃存一旦被編程就會(huì )被永久性鎖定以防止被讀取，這就是Actel器件上的FlashLock功能。此外，由于基于快閃的IC可對小批量器件進(jìn)行編程，或是在制造過(guò)程的最后期在系統內對器件編程，故而適合眾多中小型生產(chǎn)規模的典型嵌入式設計。

這種硅工藝技術(shù)還有其它的優(yōu)點(diǎn)。相比純邏輯CMOS工藝，快閃需要高電壓來(lái)編程和擦除，故內置有高模擬電壓電平的監控能力。愛(ài)特采用的工藝可實(shí)現片上模塊間的隔離(通過(guò)一種三阱結構)，允許模擬和數字模塊并排放置，卻又彼此互不干擾。盡管這是一個(gè)混合信號環(huán)境，模擬功能仍能夠保持出色的偏移和噪聲等參數規格。

F3: 微控制器子系統

在模擬能力方面，SmartFusion器件帶有多達3個(gè)12位逐次逼近(SAR) 模數轉換器(ADC)，支持全分辨率500 Ksps工作。其中每個(gè)ADC都有一個(gè)對應的第一階1位sigma-delta 數模轉換器(DAC)，而且具有500 Ksps的更新速度和高效的12位分辨率。它還有一個(gè)新的可編程元件，就是信號調節模塊(SCB)。SCB由精確的高壓監控器、電流監控器、溫度監控器以及高速(50 ns)比較器組成。高壓監控器，亦即有源雙極型預定標調節器(ABPS)，能夠提供從-11.5V到+14V的電壓監控能力。專(zhuān)門(mén)設計的電流監控器通過(guò)放大外接低阻值感測電阻上的電壓降來(lái)實(shí)現檢測電流；而溫度監控器則通過(guò)外接二極管來(lái)實(shí)現檢測溫度。

所有這些模擬功能性在功能性配置和參數值方面都是完全可編程的，并擁有一個(gè)基于圖形用戶(hù)界面(GUI)的軟件環(huán)境，以及眾多用于板上FPGA配置的設計工具。

SmartFusion器件包含有多達500k可編程邏輯門(mén)電路，與基于快閃的 ProASIC3 FPGA器件系列一樣。這個(gè)邏輯電路支持350 MHz的系統性能，內置容量高達108 Kb的 SRAM，并擁有大量工作頻率高至350 MHz的數字I/O，支持LVDS、LVPECL、PCI/PCI-X等接口標準，可驅動(dòng)高達24mA的電流。設計選擇包括愛(ài)特的HDL(硬件描述語(yǔ)言)工具鏈、Libero集成設計環(huán)境，可以硬件創(chuàng )建邏輯功能，或者是在GUI以拖放式(drag-and-drop)操作創(chuàng )建設計。這種方法可快速輸入預定義的IP模塊，這些模塊可能是源于以前設計的復用元件，或者是愛(ài)特提供的函數庫內的函數，也可能是第三方供應商提供的IP。

這些芯片上除了一個(gè)基于A(yíng)RM Cortex-M3的微控制器子系統之外，還有眾多完全可配置邏輯和模擬功能。

相比分立IC，邏輯和線(xiàn)性模塊能夠提供不折不扣的高性能，同樣地，ARM Cortex-M3處理器也是一種全功能全規格的實(shí)現方案。它是一種已獲全面集成的功能性模塊——是一個(gè)“硬”核，而不是在FPGA邏輯部件上編程的“軟”版本。系統運行時(shí)鐘頻率高至100 MHz，性能可達 125 DMIPS，并帶512 KB 的閃存和64 KB 的 SRAM。它的功能強大，足以運行復雜的算法，比如精度電機控制，或者甚至好幾個(gè)電機的多軸控制。另外，在系統管理應用中，它能夠管理電壓監控、定序(sequencing)、風(fēng)扇控制及相關(guān)“系統內務(wù)管理”等多項任務(wù)，同時(shí)仍有充足的容量來(lái)運行更高的用戶(hù)應用級任務(wù)。作為一個(gè)全功能的ARM Cortex-M3設計，它還帶有一系列外設，包括10/100 以太網(wǎng) MAC 和其它接口，比如SPI、I2C和UART等?；旌闲盘朓/O 線(xiàn)運行頻率高達180 MHz，可驅動(dòng)6 mA的電流。其它微控制器工程人員常用的功能還包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門(mén)狗定時(shí)器、8路DMA控制器和外部存儲控制器(用于額外的代碼或數據的存儲)。為了最大效率地使用硅面積，這套外設也是“硬連線(xiàn)的”，但設計人員能夠通過(guò)使用鄰近的可編程邏輯來(lái)對之進(jìn)行擴展和調整。ARM Cortex-M3 處理器經(jīng)由相同的5層AHB 總線(xiàn)矩陣結構與FPGA 結構緊密連接，片上外設連接性能帶寬高達16 Gbps。

如上所述，SmartFusion架構的處理能力顯而易見(jiàn)。此外，SmartFusion架構的靈活性?xún)?yōu)勢還體現在以下事實(shí)中：許多前端處理任務(wù)根本不需要調用ARM Cortex-M3處理器。與其它片上元件一樣，模擬計算引擎(ACE)也是一個(gè)全新的概念。ACE是一個(gè)半自治模塊，可在無(wú)需ARM Cortex-M3處理器干預下執行擴展模擬預處理和后處理任務(wù)，比如信號采集的采樣和排序。

這個(gè)新的器件系列可為嵌入式系統設計人員提供真正的單芯片工具，其在硬件方面完全可配置，軟件方面完全可編程，并充分利用了ARM架構能夠支配的所有代碼設計資源。這些芯片還附帶有一整套工具，可以為軟件代碼編寫(xiě)人員、模擬接口設計人員和RTL編程人員等提供一個(gè)熟悉的環(huán)境，而且能夠在這些技術(shù)人員向完整的FPGA、ARM和模擬領(lǐng)域拓展時(shí)予以他們支持。