關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng) FPGA 開發(fā)流程
顧名思義，嵌入式系統(tǒng)指的是嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部的計算機(jī)系統(tǒng)，是面向特定應(yīng)用設(shè)計的專用計算機(jī)系統(tǒng)。
早期的嵌入式系統(tǒng)一般是以通用處理器或單片機(jī)為核心，在外圍電路中加入存儲器、功率驅(qū)動器、通信接口、顯示接口、人機(jī)輸入接口等外圍接口，再加上應(yīng)用軟件，有些還加上了嵌入式操作系統(tǒng)，從而構(gòu)成完整的系統(tǒng)。
隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，SoC已經(jīng)在很多應(yīng)用中取代了傳統(tǒng)的以單片機(jī)為中心的架構(gòu)，將很多外設(shè)和存儲器集成在一個芯片中，使系統(tǒng)的功耗和體積越來越小，而功能卻越來越強(qiáng)。
FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用前景
現(xiàn)在的MCU和DSP的功能已經(jīng)非常強(qiáng)了，但處理能力畢竟還是有限的，廠商在推出一款器件的時候，其性能就已經(jīng)固定了。當(dāng)某一款產(chǎn)品的性能無法滿足要求時，就必須選用新的處理器，常常意味著重新進(jìn)行PCB的設(shè)計，重新進(jìn)行各項軟硬件的驗(yàn)證測試，所導(dǎo)致的工程資源的浪費(fèi)是非常驚人的。
FPGA是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)各種功能的器件，幾乎可以進(jìn)行任何類型的處理；對于常用的數(shù)字信號處理，有些FPGA專門還提供了DSP模塊來實(shí)現(xiàn)加速；FPGA的并行處理架構(gòu)非常適合圖像處理、數(shù)字信號處理等運(yùn)算密集的應(yīng)用；用某款芯片無法滿足要求時，還可以通過使用同樣封裝且容量更大的FPGA芯片來提供更高的處理能力，這樣就可以保持管腳的兼容性，從而無須對PCB板進(jìn)行修改；FPGA的可編程性使設(shè)計工程師可以隨時對設(shè)計進(jìn)行修改，即使在產(chǎn)品部署后也能對設(shè)計錯誤進(jìn)行更正；FPGA不但可以完成MCU和DSP的各種功能，還可以根據(jù)需要生成新的功能，或者調(diào)配各項功能之間的資源配比，使同一個硬件電路設(shè)計可以滿足不同的應(yīng)用需求；FPGA還可以利用現(xiàn)成的處理器內(nèi)核，直接生成軟處理器，并在其上運(yùn)行操作系統(tǒng)。
由于FPGA是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)功能的，所以其功耗和成本一般高于MCU和DSP。在幾年前，F(xiàn)PGA給人的印象一直是高高在上的價格，除了通信、航天、軍工、工業(yè)等少數(shù)行業(yè)，F(xiàn)PGA更多地是在扮演原型驗(yàn)證開發(fā)的角色，在消費(fèi)類電子等更廣大的市場中遲遲未打開局面。
隨著Xilinx和Altera競相采用新的制造工藝，其單位門電路的價格下降得比ASIC還要快，價格在很多應(yīng)用中已不再是障礙了。特別是在一些需要特定功能的應(yīng)用中，設(shè)計師在市場上找不到可以滿足要求的器件，他們就必須自己開發(fā)ASIC芯片，或者用FPGA進(jìn)行設(shè)計。但開發(fā)ASIC的成本和風(fēng)險在不斷提高，甚至超過了未來的收益，用FPGA就成了一個非常實(shí)際的選擇。
開發(fā)流程的演進(jìn)
傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程是一般先做好硬件平臺，再在硬件平臺上面應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具進(jìn)行軟件開發(fā)。這樣做的結(jié)果是軟件開發(fā)人員必須在硬件設(shè)計完成后才能工作，或者是用各種仿真工具在虛擬的硬件平臺上進(jìn)行開發(fā)。
在用FPGA進(jìn)行開發(fā)時，開發(fā)人員首先要設(shè)計輸入(FPGA廠商專用工具+語言/原理圖+IP CORE)，然后編譯仿真(FPGA廠商工具+仿真工具)，再進(jìn)行板級調(diào)試(測試板制作+邏輯分析儀)，如果發(fā)現(xiàn)問題，再循環(huán)進(jìn)行上面的環(huán)節(jié)。
這種設(shè)計模式存在諸多問題：設(shè)計可移植性差，語言的不足及IP CORE的費(fèi)用昂貴，系統(tǒng)仿真的可靠性及速度瓶頸，需要制作專用測試板，外接測試儀器的局限性，測試板的重復(fù)制作導(dǎo)致開發(fā)周期延長。
此外，從原理圖設(shè)計、邏輯驗(yàn)證和仿真、電路板設(shè)計、嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試，到最后的綜合調(diào)試，在整個過程中要用到多個廠商的不同工具，不但需要開發(fā)人員掌握各個軟件的使用方法和技巧，僅僅從資本投入上就是一筆不小的開支。而且，各個軟件之間還經(jīng)常要互相調(diào)用文件，盡管各個廠商都宣稱自己的軟件可保證兼容性，但軟件日益復(fù)雜的功能和不斷增長的代碼讓人難以對兼容性完全放心。
有沒有一個能完成整個FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一體化開發(fā)環(huán)境呢？有，這就是Altium Designer6.0，該軟件的前身就是被電子工程師所廣為熟知的Protel，直到現(xiàn)在，還有大量的工程師在用Protel進(jìn)行PCB板設(shè)計。Altium Designer由三部分組成：Foundation是電子產(chǎn)品設(shè)計前端，包含了原理圖輸入、電路仿真和驗(yàn)證、PCB及CAM文檔資料瀏覽功能；Board Implementation可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)板級電路設(shè)計、驗(yàn)證及CAM文檔編輯功能；Embedded Intelligence Implementation是基于大規(guī)模可編程邏輯器件(FPGA/CPLD)的數(shù)字電路設(shè)計、片上可編程嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)和數(shù)字電路實(shí)時驗(yàn)證功能。
Altium Designer拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界限，將FPGA與PCB設(shè)計集成在一起，同時支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式；同時支持基于VHDL的設(shè)計仿真，混合信號電路仿真、布局前/后信號完整性分析。PCB版圖設(shè)計中的布局布線采用完全規(guī)則驅(qū)動模式，并且在PCB布線中采用了無網(wǎng)格的Situs拓?fù)溥壿嬜詣硬季€功能；同時，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。
Altium Designer支持PCB與FPGA引腳的雙向同步，提供完善的混合信號仿真、布線前后的信號完整性分析功能，提供了對高密度封裝(如BGA)的交互布線功能。
在原理圖部分，Altium Designer新增的特性包括：文件管理功能，多層次、多通道的原理設(shè)計，可自動標(biāo)注元器件，F(xiàn)PGA引腳配置導(dǎo)入，原理圖環(huán)境中的PCB規(guī)則定義，豐富的集成庫，改善的編輯、查詢和可視化。
FPGA引腳配置導(dǎo)入功能允許管腳約束文件，管腳定義可以直接來源于FPGA器件商的引腳約束文件，同時提供對引腳名稱和電氣類型定義的支持；不再強(qiáng)調(diào)必須在Altium Designer環(huán)境下完成包括FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計在內(nèi)的一體化系統(tǒng)設(shè)計。
在PCB部分提供了完整的由規(guī)則驅(qū)動的PCB設(shè)計環(huán)境；支持高速設(shè)計，具有成熟的布線后信號完整性分析工具；支持差分對布線；支持BGA封裝器件的逃溢式扇出功能；支持漢字輸入；支持任意可配置引腳定義器件的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化功能；Orcad、PADS、AutoCAD和其他軟件的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能；完整的ODB++/Gerber CAM-系統(tǒng)使得用戶可以重新設(shè)計原有的設(shè)計，彌補(bǔ)設(shè)計和制造之間的差異。PCB部分還支持布局優(yōu)化、布線功能優(yōu)化、PCB板的3D顯示、FPGA的全面協(xié)同、CAM輸出。
Altium Desigenr內(nèi)嵌的仿真軟件兼容XSPICE/PSPICE電路仿真模型，它能將仿真結(jié)果以波形的方式顯示，可進(jìn)行混合電路仿真和仿真波形顯示，支持多種仿真模型。在信號完整性分析部分，提供了消除反射和串?dāng)_分析功能，
在Altium Designer中，用戶可以用圖形化的方式來完成整個設(shè)計流程，系統(tǒng)自動調(diào)用FPGA廠商提供的工具進(jìn)行布局布線，設(shè)計環(huán)境中的集中過程控制和監(jiān)測功能使得信息能夠得到及時反饋從而實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計與調(diào)試。
使用“虛擬儀器”元件，工程師可以在原理圖級將“虛擬儀器”連入設(shè)計；FPGA編程后，可以從外部控制；可以實(shí)時觀察FPGA發(fā)生的情況；調(diào)試時使用JTAG邊界掃描檢驗(yàn)FPGA的信號；用Nexus協(xié)議和虛擬儀器進(jìn)行通信并對設(shè)計進(jìn)行調(diào)試。
Altium Designer還提供了大量通用的預(yù)驗(yàn)證的IP Core，支持通用IP Core 的設(shè)計，并且支持第三方提供的IP Core 。通過與Nanoboard NB1系統(tǒng)驗(yàn)證板的結(jié)合，可進(jìn)行實(shí)時設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于目標(biāo)器件的FPGA設(shè)計。
Altium公司的這種設(shè)計方法，將硬件、軟件和可編程硬件等領(lǐng)域均被統(tǒng)一在單一的開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，可以完全控制和同步從概念構(gòu)想到完成實(shí)施的整個設(shè)計流程。
這種一體化開發(fā)流程的缺點(diǎn)是，盡管非常方便易用，但軟件的各個部分在性能和功能上無法全部做到領(lǐng)先，在驗(yàn)證、功能設(shè)計、PCB設(shè)計等方面要弱于一些專業(yè)性的或FPGA廠商自己的軟件，在需要針對器件進(jìn)行非常細(xì)致的優(yōu)化以取得最佳性能時，Altium Designer就未必是最佳選擇了。
定位不同的硬件開發(fā)板
同軟件定位不同一樣，目前眾多的硬件開發(fā)電路板的市場定位也是不同的。主流的FPGA廠商均推出了自己的開發(fā)板，為了市場推廣和銷售的需要，他們也和一些大的經(jīng)銷商合作推出開發(fā)板，更容易利用經(jīng)銷商在價格和渠道上的優(yōu)勢。
Xilinx公司的主要經(jīng)銷商安富利公司開發(fā)了很多FPGA開發(fā)板，在功能上更加豐富，在定價和促銷上也更靈活。如，安富利推出的Virtex-4 FX PCI Express開發(fā)工具套件和Virtex-5 LX開發(fā)工具套件。
圖 Virtex-4 FX PCI Express開發(fā)套件
找到精確滿足開發(fā)人員需求的FPGA開發(fā)基板是非常困難的，在基板上添加子板是一個不錯的方法。安富利推出的EXP擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計人員在原型設(shè)計時候可以通過子卡添加多種功能，滿足FPGA開發(fā)板的不同要求，免費(fèi)提供給設(shè)計工程師用于定制基本板和擴(kuò)展模塊。使用EXP模塊的好處是成本低、靈活性高、易于制作原型。在結(jié)構(gòu)上，半長EXP模塊可提供84個用戶I/O、32個單端信號、22個差分信號、單端時鐘輸入和輸出、差分時鐘輸入和輸出，單端和差分信號的最高頻率分別是200MHz和700MHz。
安富利提供的EXP模塊包括：視頻預(yù)處理模塊、高速ADC模塊、高速DAC模塊、ADI公司的EXP適配器模塊。有全長(126mm×80mm)和半長(108mm×80mm)兩種尺寸，采用Samtec公司高性能的QTE/QSE連接器。
視頻預(yù)處理模塊的輸入兼容DVI、VGA、S-Video，輸出支持DVI、VGA、LCD，具有圖像傳感器、音頻輸入和輸出。高速ADC EXP模塊采用TI的12位、50MS/s ADC，帶有14位的LVDS接口，用兩塊卡可以支持雙通道。高速DAC模塊采用TI的雙通道、16位分辨率、采樣率為1GS/s、帶16位LVDS接口的DAC。還有支持ADI公司器件的EXP適配器模塊，可以很方便地連接到90多種ADC*估板上，支持LVDS和并行接口*估板，可連到Virtex-4、Virtex-5和Spartan-DSP基板上。
Altium公司的NanoBoard開發(fā)板支持的范圍更廣，包括Xilinx、Altera、Actel等公司的眾多FPGA型號，與FPGA組成了可重新配置的系統(tǒng)設(shè)計驗(yàn)證平臺；NanoBoard通過打印電纜接口與用戶PC進(jìn)行通信，支持硬件設(shè)計的下載和實(shí)現(xiàn)Live設(shè)計驗(yàn)證功能。NanoBoard還支持可插拔的FPGA子板，可以通過更換子板來調(diào)試不同的FPGA。
圖 NanoBoard-NB2開發(fā)板
NanoBoard的板上資源包括：CAN總線接口、串行口、VGA接口、顯示鏈輸入輸出、外部存儲器、I2C接口、連接用戶開發(fā)板接口、連接FPGA子板的插座、系統(tǒng)時鐘、JTAG接口、PS2鍵盤和鼠標(biāo)鼠標(biāo)接口、多用戶I /O接口。用戶在一塊板子上就可以完成整個系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證，通過更換子卡，可以試用各廠商的不同器件，找到性價比最佳的器件，而不必重復(fù)購買開發(fā)板。
隨著FPGA的制造工藝向65nm、45nm和更先進(jìn)的工藝發(fā)展，F(xiàn)PGA的器件成本會越來越低。為了取得差異化的競爭優(yōu)勢，系統(tǒng)廠商必須開發(fā)出獨(dú)特的產(chǎn)品功能，但采用ASSP和ASIC都只能提供固定的有限功能，而開發(fā)ASIC的巨大成本和風(fēng)險又使得ASIC只能成為少數(shù)大公司的選擇。成本不斷下降的FPGA已經(jīng)成為大多數(shù)系統(tǒng)廠商的不二之選，但在傳統(tǒng)設(shè)計流程中軟硬件的不同步、需要交叉使用多個軟件、硬件開發(fā)板的支持范圍有限，可能成為阻礙更多采用FPGA的問題。Altium公司的Altium Designer是業(yè)界首個提供了一體化設(shè)計環(huán)境的開發(fā)工具，如果有更多的廠商參與開發(fā)類似的軟件工具，并不斷提高易用性和性能，才能真正將這種設(shè)計理念推廣到更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
