針對微控制器應(yīng)用的采用FPGA的嵌入式應(yīng)用

1、針對微控制器應(yīng)用的采用fpga的嵌入式應(yīng)用當(dāng)你打開任何智能設(shè)備(從老式的電視遙控器到全球定位系統(tǒng))，會發(fā)覺幾乎全部的設(shè)備都起碼采納了一個微控制器()，無數(shù)設(shè)備里還會有多個微控制器。mcu往往被用于專用的終端產(chǎn)品或設(shè)備中，它能夠很好地完成特別任務(wù)。另一方面，pc的大腦，即微處理器被設(shè)計用于實現(xiàn)許多通用的功能。微控制器可用于降低成本，加固工業(yè)和應(yīng)用，將其嵌入中時，還可以通過重新編程快速轉(zhuǎn)變功能。這種靈便性使得單個設(shè)備可應(yīng)用于接口標(biāo)準(zhǔn)不同的多個市場。在挑選微控制器時應(yīng)考慮哪些因素？本文將主要探討采納fpga的應(yīng)用。不過，挑選任何微控制器的標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上都是相同的。設(shè)計者需要考慮下列因素：終端產(chǎn)品的成本是

2、多少？實現(xiàn)設(shè)計以及存儲控制程序需要多少內(nèi)存？對輸入輸出的要求？對寄存器的要求？如何與其它器件集成？傳統(tǒng)的mcu已作為一種非定制的特別應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(assp)上市，每個供給商都提供了不同的功能以實現(xiàn)差異化并迎合市場的各種需求。將fpga與mcu ip結(jié)合可提供比傳統(tǒng)mcu越發(fā)靈便的硬件平臺，并有助于實現(xiàn)前面列出的各項考慮因素。雖然fpga比單片mcu昂貴，但其附加的功能(如嵌入式、存儲塊以及靈便的i/o環(huán))可以抵消多個器件的成本；fpga提供了越發(fā)靈便的存儲結(jié)構(gòu)，一旦數(shù)據(jù)和命令需要轉(zhuǎn)變，則用戶可以調(diào)節(jié)硬件設(shè)計來與之匹配；現(xiàn)代系統(tǒng)中有各式各樣的信號標(biāo)準(zhǔn)和接口協(xié)議，因此對輸入輸出的要求十分嚴(yán)格，具有

3、可編程片上緩沖器的fpga在這個領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。例如，lattice machxo器件可在各種電平下支持單端lv/lvttl和差分lvds/lvpecl。就寄存器和暫存存儲器資源而言，面對fpga的mcu ip核所提供的靈便性可轉(zhuǎn)變配置以滿足應(yīng)用的需求；fpga是解決器件集成問題的抱負(fù)計劃。可編程查找表(lut)、寄存器和存儲器提供了額外的集勝利能，同時靈便的可編程i/o和專用接口(如雙數(shù)據(jù)速率(ddr)使其與多個器件的握手越發(fā)簡單。對于許多微控制器應(yīng)用來說，fpga是十分抱負(fù)的器件，由于其成本相對低廉，包含大量的嵌入式存儲塊，具有足夠的i/o以應(yīng)對幾乎全部控制器功能，擁有豐盛的寄存器，并支

4、持包括lvcmos、sstl及差分lvds信號傳輸在內(nèi)的許多i/o標(biāo)準(zhǔn)?；陂W存的非易失性fpgafpga的創(chuàng)造工藝有多種，包括一次性編程(反熔絲)、易失性(基于sram)，以及用法基于ee或閃存的非易失性工藝。表1列出了器件密度、封裝類型、可用i/o數(shù)、嵌入式和分布式存儲器，以及pll和嵌入式dsp塊。例如，基于閃存的fpga采納130nm和90nm工藝。廣泛的挑選范圍使得找出滿足特別微控制器應(yīng)用需求的器件更簡單一些。表1：基于閃存的非易失性fpga產(chǎn)品微控制器應(yīng)用實例fpga的靈便性使其適用于許多微控制器應(yīng)用，以及包含微控制器的更復(fù)雜的設(shè)計。圖1：馬達(dá)控制應(yīng)用像家用電子設(shè)備、工業(yè)以及正在增

5、長的新興汽車應(yīng)用(從、引擎控制到制動系統(tǒng))這些產(chǎn)品都包括圖1、2和3中所示的微控制器。圖2：導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用圖3：片上系統(tǒng)應(yīng)用在馬達(dá)控制應(yīng)用中，系統(tǒng)發(fā)送和接收來自微控制器的信息，以調(diào)節(jié)的速度和方向。來自系統(tǒng)的輸入告訴微控制器增大或減小馬達(dá)和控制器的速度，微控制器再依次告訴系統(tǒng)馬達(dá)的實時速度和方向。導(dǎo)航系統(tǒng)采納微控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的圖像，按照微控制器的輸入提高或降低辨別率。圖3中的設(shè)計展示了一個片上系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括微控制器、外圍和幾種外設(shè)功能，以及用于顯示寄存器文檔、暫存存儲器、調(diào)用棧、程序計數(shù)器、標(biāo)志和跟蹤列表的硬件跟蹤調(diào)試器。同時還支持微控制器的單步、多步和斷點功能。片上系統(tǒng)的例子可用來解釋設(shè)計工具

6、流程和實現(xiàn)(圖4)。圖4：片上系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程及硬件開發(fā)流程微控制器工具和實現(xiàn)fpga微控制器的高效率和緊湊實現(xiàn)使得2280 lut machxo器件可用于解釋圖3中片上系統(tǒng)的設(shè)計。啟動該設(shè)計的最容易辦法是參考“迅速啟動指南”或項目向?qū)б徊揭徊降卦O(shè)計fpga。一旦設(shè)計項目創(chuàng)建好，下一步就是編寫微控制器程序。c或匯編語言是目前最流行的mcu編程語言。圖5顯示了用匯編語言編寫的i2c slave程序塊。圖5：匯編代碼實例必需對微控制器的每個單元舉行分析以打算要執(zhí)行的操作。如代碼實例所示，i2c寫循環(huán)具有5種操作：讀狀態(tài)、寫器件地址、寫數(shù)據(jù)、寫字地址及返回。請注重代碼都加上了注釋。雖然匯編語言的規(guī)

7、范在各種mcu上大多是全都的，但設(shè)計者還是應(yīng)當(dāng)查閱供給商的mcu命令集文檔，以了解哪些操作是得到支持的。將匯編源代碼轉(zhuǎn)換到rom初始化文件的匯編程序是由指令行驅(qū)動的，和命令集器一樣，這可以通過匯編器供給商工具套件獲得或者從網(wǎng)上下載。其中有些工具是作為開放源代碼工具提供。例如，latticemico8微控制器ip(學(xué)問產(chǎn)權(quán))就是作為開放源代碼提供，這是實現(xiàn)嵌入式微控制器的一種獨特有效途徑，可用法戶擁有最大的靈便性。嵌入式微控制器ip可以描述囫圇設(shè)計，或者作為一個大型設(shè)計的一部分與附加代碼結(jié)合在一起。尋覓一種有助于設(shè)計hdl調(diào)試和規(guī)章檢查的工具是十分明智的。這種工具會生成該設(shè)計的分層結(jié)構(gòu)和互連性的

8、圖形表示。用戶可以通過各種圖形和分層結(jié)構(gòu)來觀看設(shè)計，并利用智能工具交互探測視圖以發(fā)覺各種問題。圖6：設(shè)計視圖hdl調(diào)試工具這對于ip集成的維護(hù)和復(fù)雜fpgahdl設(shè)計的重設(shè)計都是很實用的，ip集成需要全面深化的途徑舉行設(shè)計分析和管理。相比傳統(tǒng)仿真器或綜合工具，這種工具可以實現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)的更高層抽象。這有助于創(chuàng)建并管理文檔以及分析設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而極大地削減了花費在這些項目上的設(shè)計時光。功能仿真功能仿真首先創(chuàng)建一個工作庫，設(shè)計被編譯到該工作庫中。仿真器通過圖形用戶接口、菜單或指令行使該過程越發(fā)順當(dāng)。這其中包含了設(shè)計文檔和測試向量(test bench)。測試向量實例化該設(shè)計，并將數(shù)據(jù)加載到輸入端。當(dāng)運

9、行設(shè)計時，測試向量被應(yīng)用于該設(shè)計并顯示結(jié)果(通常以波形的形式)舉行分析?？衫酶鞣N仿真器實現(xiàn)設(shè)計的功能仿真。假如已對囫圇系統(tǒng)建模，則可以在系統(tǒng)級舉行功能仿真，或者對單個設(shè)計單元舉行仿真以確保正確的語法和功能已在rtl級建模。在這種特別狀況下，有兩家oem的仿真器可供挑選。aldec公司的active-hdl lattice designer edition lite是一種附加的仿真環(huán)境。它不但提供混合語言和仿真，還可提供面對fpga設(shè)計的可選設(shè)計流程。另一種挑選是 graphics的，它能夠提供vhdl和verilog語言以及門級時序仿真，以對設(shè)計舉行完整的仿真和分析。綜合一旦完勝利能仿真，下

10、一步就是綜合。綜合可以用自立的方式完成，或者在供給商的項目導(dǎo)航工具中作為后臺函數(shù)運行。綜合獵取設(shè)計、舉行規(guī)律優(yōu)化并實現(xiàn)工藝映射。自立模式綜合的步驟包括建立項目、加入源文件、設(shè)置約束、運行設(shè)計和分析結(jié)果。約束是綜合的實現(xiàn)選項，例如扇出限制、用法全局置位/復(fù)位。屬性則附屬于對象，以控制其依附的特定對象的優(yōu)化、映射和分析。目前可提供兩種率先的綜合工具。precision rtl綜合工具是mentor graphics公司的重要rtl綜合解決計劃。利用precision rtl界面可以很簡單地獵取實用的特性和工具，例如暗示圖(rtl/工藝)觀看器、約束分析器、precisetime(用于高級時序分析)

11、、支持時序調(diào)節(jié)(re-timing)等等。這些高級工具有助于改進(jìn)效率并終于優(yōu)化結(jié)果。synplicity公司的synplify綜合工具是一款高性能、復(fù)雜的規(guī)律綜合引擎，它利用專有的行為提取綜合技術(shù)(behavior extracting synthesis technology)提供迅速、高效的fpga和設(shè)計。容易的用戶接口和強大的綜合引擎結(jié)合在一起能快速提供優(yōu)化的結(jié)果。設(shè)計實現(xiàn)面對映射、布局和布線(mpar)的設(shè)計實現(xiàn)是利用供給商的工具套件完成。這一工具套件包含用于建立項目的項目導(dǎo)航器(project navigator)，以及任何fpga設(shè)計所必須的其它工具。在這種狀況下，源文件被放置在左

12、邊的窗口，項目處理在右邊的窗口舉行，但全部的窗口都是可停泊的，以便用戶定制任何視圖。log窗口記錄全部的處理，并列出在處理過程中產(chǎn)生的所有警告和錯誤信息。用戶可以通過下拉菜單或者工具欄中的圖標(biāo)用法各種工具。圖7為lattice公司isplever工具套件中的project navigator。圖7：isplever項目導(dǎo)航器實現(xiàn)工具(如design planner)可提供i/o和引腳設(shè)置、物理和規(guī)律視圖以及平面布局。tcl/tk腳本可以運行多次迭代以優(yōu)化設(shè)計。project navigator中包含了靜態(tài)時序、規(guī)律調(diào)試和功率計算工具。編程軟件設(shè)計完成后，通過8所示的編程軟件對硬件舉行編程。這個

13、工具將提供直觀的用戶界面gui，可自動對系統(tǒng)主板舉行掃描，挑選必須的編程文件并執(zhí)行合適的編程算法。通過供給商提供的svf文件，該工具支持符合ieee 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的器件編程。對于大多數(shù)系統(tǒng)內(nèi)可編程器件來說，該工具還可以生成ieee 1532 isc數(shù)據(jù)文件。一旦實現(xiàn)了硬件，設(shè)計者將主要關(guān)注運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件。iss可用來確定原型功能以及評估對存儲器資源的需求。當(dāng)硬件集成、端口銜接以及查找錯誤均完成之后，通常不需要再更改代碼。在嵌入式系統(tǒng)的fpga設(shè)計流程中，采納匯編器對更改的程序舉行再編譯，以建立fpga片上命令或數(shù)據(jù)存儲配置的新存儲映像。然后通過一個容易的eco將映像再次映射至fpga的存儲塊。這樣設(shè)計者就能跳過耗時的綜合以及設(shè)計流程的布局布線階段。存儲器初始化工具將利用匯編器創(chuàng)建的新型16進(jìn)制或者2進(jìn)制映像重寫存儲器配置。一旦post-par數(shù)據(jù)庫被修改，則只需通過新的編程位流或者jedec對fpga舉行再編程。能夠控制內(nèi)部寄存器以及在設(shè)計調(diào)試階段實現(xiàn)尋址是十分實用的。為達(dá)到這一目標(biāo)，orcastra或jlink接口等工具(9和圖10所示)