針對微控制器應用的采用FPGA的嵌入式應用

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

2、多少？實現設計以及存儲控制程序需要多少內存？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用標準產品(assp)上市，每個供給商都提供了不同的功能以實現差異化并迎合市場的各種需求。將fpga與mcu ip結合可提供比傳統(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)靈便的存儲結構，一旦數據和命令需要轉變，則用戶可以調節(jié)硬件設計來與之匹配；現代系統(tǒng)中有各式各樣的信號標準和接口協(xié)議，因此對輸入輸出的要求十分嚴格，具有

3、可編程片上緩沖器的fpga在這個領域具有獨特優(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變配置以滿足應用的需求；fpga是解決器件集成問題的抱負計劃?？删幊滩檎冶?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(如雙數據速率(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用來說，fpga是十分抱負的器件，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信號傳輸在內的許多i/o標準?；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、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用需求的器件更簡單一些。表1：基于閃存的非易失性fpga產品微控制器應用實例fpga的靈便性使其適用于許多微控制器應用，以及包含微控制器的更復雜的設計。圖1：馬達控制應用像家用電子設備、工業(yè)以及正在增

5、長的新興汽車應用(從、引擎控制到制動系統(tǒng))這些產品都包括圖1、2和3中所示的微控制器。圖2：導航系統(tǒng)應用圖3：片上系統(tǒng)應用在馬達控制應用中，系統(tǒng)發(fā)送和接收來自微控制器的信息，以調節(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和控制器的速度，微控制器再依次告訴系統(tǒng)馬達的實時速度和方向。導航系統(tǒng)采納微控制器調節(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中的設計展示了一個片上系統(tǒng)的實現，包括微控制器、外圍和幾種外設功能，以及用于顯示寄存器文檔、暫存存儲器、調用棧、程序計數器、標志和跟蹤列表的硬件跟蹤調試器。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計工具

6、流程和實現(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fpga微控制器的高效率和緊湊實現使得2280 lut machxo器件可用于解釋圖3中片上系統(tǒng)的設計。啟動該設計的最容易辦法是參考“迅速啟動指南”或項目向導一步一步地設計fpga。一旦設計項目創(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、寫數據、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，但設計者還是應當查閱供給商的mcu命令集文檔，以了解哪些操作是得到支持的。將匯編源代碼轉換到rom初始化文件的匯編程序是由指令行驅動的，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(學問產權)就是作為開放源代碼提供，這是實現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可以描述囫圇設計，或者作為一個大型設計的一部分與附加代碼結合在一起。尋覓一種有助于設計hdl調試和規(guī)章檢查的工具是十分明智的。這種工具會生成該設計的分層結構和互連性的

8、圖形表示。用戶可以通過各種圖形和分層結構來觀看設計，并利用智能工具交互探測視圖以發(fā)覺各種問題。圖6：設計視圖hdl調試工具這對于ip集成的維護和復雜fpgahdl設計的重設計都是很實用的，ip集成需要全面深化的途徑舉行設計分析和管理。相比傳統(tǒng)仿真器或綜合工具，這種工具可以實現設計結構的更高層抽象。這有助于創(chuàng)建并管理文檔以及分析設計結構，從而極大地削減了花費在這些項目上的設計時光。功能仿真功能仿真首先創(chuàng)建一個工作庫，設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。這其中包含了設計文檔和測試向量(test bench)。測試向量實例化該設計，并將數據加載到輸入端。當運

9、行設計時，測試向量被應用于該設計并顯示結果(通常以波形的形式)舉行分析?？衫酶鞣N仿真器實現設計的功能仿真。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設計的可選設計流程。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航工具中作為后臺函數運行。綜合獵取設計、舉行規(guī)律優(yōu)化并實現工藝映射。自立模式綜合的步驟包括建立項目、加入源文件、設置約束、運行設計和分析結果。約束是綜合的實現選項，例如扇出限制、用法全局置位/復位。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、、支持時序調節(jié)(re-timing)等等。這些高級工具有助于改進效率并終于優(yōu)化結果。synplicity公司的synplify綜合工具是一款高性能、復雜的規(guī)律綜合引擎，它利用專有的行為提取綜合技術(behavior extracting synthesis technology)提供迅速、高效的fpga和設計。容易的用戶接口和強大的綜合引擎結合在一起能快速提供優(yōu)化的結果。設計實現面對映射、布局和布線(mpar)的設計實現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航器(project navigator)，以及任何fpga設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項目導航器實現工具(如design planner)可提供i/o和引腳設置、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)化設計。project navigator中包含了靜態(tài)時序、規(guī)律調試和功率計算工具。編程軟件設計完成后，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標準的器件編程。對于大多數系統(tǒng)內可編程器件來說，該工具還可以生成ieee 1532 isc數據文件。一旦實現了硬件，設計者將主要關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片上命令或數據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。這樣設計者就能跳過耗時的綜合以及設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進制或者2進制映像重寫存儲器配置。一旦post-par數據庫被修改，則只需通過新的編程位流或者jedec對fpga舉行再編程。能夠控制內部寄存器以及在設計調試階段實現尋址是十分實用的。為達到這一目標，orcastra或jlink接口等工具(9和圖10所示)