大三上嵌入式系統(tǒng)

3.4ASIC/FPGA嵌入式處理器芯片P73可編程芯片和定制芯片已成為嵌入式設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)特征?！?006年嵌入式市場調(diào)查》結(jié)果顯示，目前有72%的設(shè)計(jì)人員在嵌入式項(xiàng)目中采用了可定制芯片。首選產(chǎn)品是能在售后進(jìn)行修改的現(xiàn)成器件，如FPGA、PLD或CPLD。

3.4.1ASIC/FPGA開發(fā)流程ASIC/FPGA的開發(fā)分為二個(gè)階段進(jìn)行：1.語言級設(shè)計(jì)：·

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；·

用硬件描述語言作功能設(shè)計(jì)；·

功能仿真測試；·

邏輯合成；·

可測試化設(shè)計(jì)。2.門電路級設(shè)計(jì)·

網(wǎng)表變換、設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證、邏輯仿真、靜態(tài)時(shí)種分析；·

版面布局；·

功能驗(yàn)證、版面布局后仿真；·

下載至器件,樣片制作。P73FPGA配置FPGA的關(guān)鍵優(yōu)勢，就在于其靈活性，以及開發(fā)者能夠根據(jù)特定應(yīng)用對其進(jìn)行配置?！霸谀軓牟⑿刑幚慝@益的應(yīng)用中，高性能FPGA每個(gè)時(shí)鐘周期能完成更多工作。図2ソフトコア（CPU）をマルチ構(gòu)成にしたり、補(bǔ)助ハード回路を組み込むことでCPU性能は柔軟に高められる多處理器系統(tǒng)定制指令硬件加速器■追加處理器核

（內(nèi)部或外部）■為提高CPU性能追加符合應(yīng)用特性的指令

■算法的加速

（追加符合應(yīng)用特性的硬件）FPGA嵌入式處理器芯片配置形態(tài)定制指令硬件加速器硬件加速器接口FPGA設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)合成下載至器件最優(yōu)化FPGA

配置配線CPLD

配置數(shù)據(jù)流生成設(shè)計(jì)執(zhí)行邏輯仿真靜態(tài)時(shí)鐘仿真動(dòng)態(tài)仿真在線驗(yàn)證設(shè)計(jì)驗(yàn)證消費(fèi)電子成FPGA競爭熱點(diǎn)

在需要性能、成本、功耗、產(chǎn)品上市時(shí)間中取得平衡的市場，F(xiàn)PGA無疑將是贏家，F(xiàn)PGA在消費(fèi)電子、汽車電子、通信、廣播、工業(yè)等市場的應(yīng)用越來越廣泛。隨著價(jià)格的下降，F(xiàn)PGA在許多市場上已經(jīng)能和ASIC分庭抗禮，并且在中批量的情況下，采用FPGA比ASIC更具有成本優(yōu)勢。3.4.2Lattice可編程系統(tǒng)芯片

LatticeSC

的FPGALatticeSC系列是高端系統(tǒng)級芯片,用于高速網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。LatticeECP2-

低成本FPGA，高端特性.

在更低的成本下集成了以前只有高成本、高性能FPGA才有的特點(diǎn)和性能，這個(gè)系列的產(chǎn)品極大地?cái)U(kuò)展了使用低成本FPGA的應(yīng)用范圍。LatticeXP-非易失、可重構(gòu)的FPGA

P74萊迪思SoPC圖3-36LatticeXP芯片結(jié)構(gòu)在上電時(shí)，該配置在1毫秒內(nèi)從FLASH存儲(chǔ)器中被傳送到配置SRAM中，提供了瞬時(shí)上電的FPGA。

P74LatticeXP是由Flash單元陣列和SRAM組合而成的系統(tǒng)級芯片,可提供上電即刻組機(jī),無限再構(gòu)的能力.加電時(shí),將系統(tǒng)構(gòu)成用數(shù)據(jù)從Flash存儲(chǔ)器送至SRAM.因無外部的構(gòu)成數(shù)據(jù)存在，故具備很好的安全保密性,適合通信，軍用等嵌入式應(yīng)用

3.4.3Actel單片可編程系統(tǒng)芯片ActelFusion系列器件將可編程Flash內(nèi)存，以及具有150萬門的FPGA架構(gòu)集成在單片PSC上,拓展了FlashFPGA技術(shù)的核心優(yōu)勢，即上電即行(LAPU)、低功耗、設(shè)計(jì)安全性、固件錯(cuò)誤免疫力和低總體系統(tǒng)成本等，為價(jià)格高昂和耗費(fèi)空間及時(shí)間的混合ASIC設(shè)計(jì)提供卓越的替代方案。ActelFusionPSC更集成了核心模擬構(gòu)件，因此適合多種應(yīng)用采用，范圍涵蓋工業(yè)、醫(yī)療、軍用/航天、通信、消費(fèi)電子和汽車電子。P74圖3-38ActelFusion可編程系統(tǒng)芯片P75圖3-37單片可編程系統(tǒng)芯片示意A380商用客機(jī)的多項(xiàng)機(jī)上應(yīng)用使用了現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和IP核模塊,FPGA系列器件可針對以下應(yīng)用：飛行計(jì)算機(jī)、引擎控制和監(jiān)控、制動(dòng)系統(tǒng)、安全警報(bào)系統(tǒng)、機(jī)艙空氣調(diào)節(jié)及增壓，以及駕駛員座艙顯示。每架A380飛機(jī)都使用了超過700個(gè)ActelFPGA器件。P74FPGA用ARM軟核CoreMP7

ARM7是大量應(yīng)用的32位RISC處理器核,交付數(shù)已超過10億個(gè)。

ACTEL的CoreMP7即是ARM7TDMI-S軟核、可在ACTEL的M7ProASIC3和M7Fusion芯片上以FPGA實(shí)現(xiàn)CoreMP7帶有在FPGA上優(yōu)化的ARM7內(nèi)核,可以大量使用已存的嵌入式軟件代碼及開發(fā),設(shè)計(jì)工具圖3-39QuickMIPS處理器芯片3.4.4QuickMIPS嵌入式處理機(jī)芯片QuickMIPS嵌入式處理器產(chǎn)品基于QuickLogic的ViaLinkFPGA技術(shù)，可用以快速開發(fā)具備ASSP特征的應(yīng)用級芯片，能有效防止他人仿制。典型的芯片結(jié)構(gòu)由兩個(gè)可編程單元：MIPSCPU內(nèi)核和可編程結(jié)構(gòu)區(qū)組成

P75圖3-40 QuickMIPS嵌入式處理機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)P763.4.5XilinxPSoC可編程的片上系統(tǒng)Xilinx公司可編程系統(tǒng)級芯片(PSoC)混合信號陣列包括有

PowerPC內(nèi)核的

Virtex系列,

MicroBlaze內(nèi)核的

SpartanII或Virtex系列,

適合各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)控制應(yīng)用，如安全傳感器和控制、以及智能溫度、壓力和流量傳感器P76賽靈思處理器MicroBlaze處理器軟核MicroBlaze處理器軟核5.00版。這款32位RISC內(nèi)核現(xiàn)可在Virtex-5FPGA器件中提供240DMIPS的整數(shù)處理能力，同時(shí)，浮點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá)50MFLOPS.

提供經(jīng)驗(yàn)證的立即可用的預(yù)建配置選項(xiàng)，可以直接用于自己的嵌入式處理設(shè)計(jì)，或定制自己的處理器。處理器還提供了專門用于數(shù)據(jù)密集多媒體應(yīng)用的新指令。

PlatformStudio提供了集成的硬件/軟件開發(fā)環(huán)境，支持所有賽靈思處理器解決方案。這使得開發(fā)人員能夠容易地完成對整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、集成和調(diào)試。3.4.6Cypress的PSoC可編程系統(tǒng)級芯片”Cypress微系統(tǒng)公司的混合信號陣列可編程系統(tǒng)級芯片（PSoC）器件，是面向大量嵌入式控制功能而開發(fā)的高性能、現(xiàn)場可編程、混合信號陣列

PSoC.PSoC增加了一個(gè)模擬模塊和一個(gè)數(shù)字模塊，能完成MCU許多不能完成的工作。P76模擬模塊主要包含有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器、濾波器等功能，數(shù)字模塊則包含有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、偽隨機(jī)源、CRC發(fā)生器、I2C主/從電路、SPI主/從電路、全雙工UART和IrDA接收器/發(fā)生器等。圖3-41Cypress的PSoC結(jié)構(gòu)具有6個(gè)模擬和4個(gè)數(shù)字模塊的CY8C24xxx系列適合于電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。具有3個(gè)模擬和4個(gè)數(shù)字摸塊的CY8C22xxx系列是面向傳感器應(yīng)用的，包括火情（煙霧探頭）和侵?jǐn)_探測器件。所有的PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重置的，這使得設(shè)計(jì)人員能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。P76圖3-42PE單元2.4.7DAPDNA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)處理器DAPDNA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)處理器（DynamicallyReconfigurableProcessor，DRP）是高性能DAP

RISC內(nèi)核與可動(dòng)態(tài)重構(gòu)DNA陣列組成的雙核處理器芯片。DAPDNA實(shí)現(xiàn)了軟件的靈活性和硬件處理的高速性的融合，PE（ProcessingElement）單元：每個(gè)PE單元包含有運(yùn)算器和存儲(chǔ)器；

P77圖3-43DAPDNA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)1）PE陣列：由二維排列的376個(gè)PE單元組成，每個(gè)PE的功能可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)動(dòng)態(tài)變更2）DAP（DigitalApplicationProcessor）：32位RISC處理器核，用于硬件的動(dòng)態(tài)再配置控制。P77RISCCoreDAPDNA-2具有Pentium4（3GHz）最大50倍強(qiáng)的性能。

DAPDNA開發(fā)計(jì)劃

3.4.8Tensilica鉆石系列處理器Tensilica鉆石系列處理器內(nèi)核包括從面積緊湊的低功耗通用控制器到高性能DSP以及廣受歡迎的音頻處理器等可綜合內(nèi)核。鉆石系列處理器內(nèi)核系列基于Tensilica公司高性能的Xtensa可配置及可擴(kuò)展處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)，P77圖3-44Xtensa可編程芯片結(jié)構(gòu)XtensaV

可挑選所需的單元架構(gòu)，再加上自創(chuàng)的新指令與硬件執(zhí)行單元，就可以設(shè)計(jì)出處理器核心?？舍槍μ幚砥鞯奶厥饨M合，自動(dòng)生成一套包括操作系統(tǒng)在內(nèi)的完善周全的軟件工具?？梢宰杂裳b組的XtensaV處理器，其設(shè)計(jì)方式彈性大，功效高。P78Xtensa7可配置處理器內(nèi)核允許在乘法器、DSP引擎、浮點(diǎn)運(yùn)算單元、32/64/128位總線等三百多個(gè)獨(dú)立選項(xiàng)之間按需選擇，而且是可擴(kuò)展的，可以根據(jù)客戶的特殊應(yīng)用增加指令、執(zhí)行單元和I/O。例如為提高2～100倍甚至更高的性能，XPRES編譯器可配置XtensaLX處理器能夠讓設(shè)計(jì)人員對處理器進(jìn)行量身定做，以滿足片上系統(tǒng)SoC中的特定任務(wù)。XPRES的自動(dòng)化工具，可以對用C或者C++寫的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行自動(dòng)分析，提交給Xtensa處理器生成器，產(chǎn)生所需要的處理器。MAX

II&MAXCPLD

StratixII、

StratixGXFPGACycloneII&CycloneIIIFPGAHardCopy構(gòu)件式

ASIC

Nios

II&Nios處理器

Code:DSP

solutionAltera公司也是可編程系統(tǒng)級芯片的著名供應(yīng)商,其產(chǎn)品包括有ARM內(nèi)核Excolibur系列、Nious內(nèi)核的Stratix系列等3.4.9Altera的SoPCCycloneIII的特點(diǎn),，一是低功耗，采用65nm工藝，120K邏輯單元，靜態(tài)功耗低于0.5W。二是高性能，存儲(chǔ)器有4Mb，18×18乘法器有288個(gè)。三是低成本，該產(chǎn)品起價(jià)為4美元”

4.3復(fù)習(xí)MIPS科技進(jìn)入中國兩周年

炬力集成：中國領(lǐng)先無晶圓廠模式半導(dǎo)體公司，擴(kuò)展MIPS架構(gòu)的授權(quán)，將24KEc?Pro

應(yīng)用于下一代便攜式媒體設(shè)備，MIPS-Based?13產(chǎn)品系列方泰：移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)先IC解決方案提供商授權(quán)使用24KEc?

內(nèi)核開發(fā)高性能、具有成本效益的蜂窩電話媒體處理器華亞微電子：是針對視頻解決方案的定制化芯片供應(yīng)商，授權(quán)使用4Kc?SMIC18硬核用于DTV應(yīng)用上海交通大學(xué)：中國最著名的教育機(jī)構(gòu)之一，授權(quán)使用4KcSMIC.18

用于開發(fā)針對中國DTV市場的SoC。奇碼數(shù)字信息有限公司：針對中國市場的嵌入式設(shè)計(jì)供應(yīng)商，授權(quán)使用4KcSMIC.18硬核，用于機(jī)頂盒和DTVSoC。普然通訊技術(shù)（上海）有限公司：IC設(shè)計(jì)公司普然授權(quán)使用4KEc?

內(nèi)核用于開發(fā)針對亞太地區(qū)服務(wù)提供商市場的xDSL接入設(shè)備。

FPGA開發(fā)流程FPGA的開發(fā)分為二個(gè)階段進(jìn)行：1.語言級設(shè)計(jì)：·

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；·

用硬件描述語言作功能設(shè)計(jì)；·

功能仿真測試；·

邏輯合成；·

可測試化設(shè)計(jì)。2.門電路級設(shè)計(jì)·

網(wǎng)表變換、設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證、邏輯仿真、靜態(tài)時(shí)種分析；·

版面布局；·

功能驗(yàn)證、版面布局后仿真；·

下載至器件,樣片制作。P73現(xiàn)場可編程系統(tǒng)芯片SoPC供應(yīng)廠商ＦＰＧＡ產(chǎn)品Actel可編程FlashFusion系列XilinxPSoC可編程的片上系統(tǒng)Virtex系列Altera可編程系統(tǒng)級芯片CycloneIII，NiosTensilicaXtensa可配置及可擴(kuò)展處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)鉆石系列處理器LatticeFlash單元陣列和SRAM組合而成的系統(tǒng)級芯片LatticeXPCypress混合信號陣列PSoCCY8C24xxx系列QuickLogicMIPSCPU內(nèi)核QuickMIPSDAPDNA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)處理器DAPDNA-23.5通用嵌入式微控制器無論是4位、8位、16位或是32位的微控制器(MCU，單片機(jī))，嵌入在各類設(shè)備中，負(fù)責(zé)監(jiān)測、控制產(chǎn)品的特定功能或動(dòng)作。為了幫助系統(tǒng)廠商應(yīng)對在加快產(chǎn)品上市、采取各種措施，如嵌入閃存(Flash)及擴(kuò)大閃存容量，增加外設(shè)、接口及安全特性，降低產(chǎn)品功耗和成本，

提供高效率的軟件開發(fā)工具并提高工具兼容性和代碼復(fù)用率等。P78FlashMCUFlashMCU結(jié)合了OTP存儲(chǔ)器的成本優(yōu)勢和EEPROM的可編程特性，使產(chǎn)品面市時(shí)間縮短，還能使產(chǎn)品現(xiàn)場升級，受到越來越多的研發(fā)工程師的肯定；MCU一個(gè)很重要的發(fā)展趨勢就是從OTPROMMCU向FlashMCU方向發(fā)展，在汽車電子、系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。Freescale、Renesas、Philips、Microchip、Toshiba等MCU廠商紛紛推出自己的FlashMCU產(chǎn)品應(yīng)對市場需求。圖3-45AVR88位單片機(jī)3.5.1Atmel基于ARM的閃存微控制器1.AVR88位單片機(jī)AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲(chǔ)器，它體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)向“片上系統(tǒng)SoC”過渡的發(fā)展方向。

AVR8單片機(jī)內(nèi)置自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測電路，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。它具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行（5-2.7V），抗干擾能力強(qiáng)。P78圖3-46AVR32的高性能32位RISC處理器2.AVR32的高性能32位RISC處理器AVR32集成了矢量乘法協(xié)處理器、32KB片上SRAM、16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存、MMU、DMA接口、外圍DMA控制器等,外圍接口包括音頻DAC、LCD控制器、USB2.0收發(fā)器和2個(gè)10/100以太網(wǎng)MAC。串行接口包括RS232、USART、I2C、AC97、SPI、PS/2以及SSC等。能夠執(zhí)行MPU和DSP雙重功能

AVR32體系結(jié)構(gòu)與ARM11和MIPS24KEc極為類似，是能以極低功耗執(zhí)行信號處理任務(wù)的處理器。P79圖3-47AT91SAM7S結(jié)構(gòu)3.SAM系列32位單片機(jī)P80AtmelSAM7系列SAM7X架構(gòu)基于ARM7TDMI微控制器(MCU)可支持安全通訊，并提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)功能．AtmelSAM9系列AT91SAM9263嵌入了一個(gè)基于200MIPS的ARM926EJ-S微控制器(MCU)，從而解決了在圖形界面、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用(比如聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備和GPS導(dǎo)航系統(tǒng))中基于ARM9的傳統(tǒng)微控制器遭遇的瓶頸問題。

AT91SAM9263配置了11條總線和96KBSRAM。整合了18個(gè)外圍PDC、五個(gè)DMA控制器、EthernetMAC、相機(jī)接口、LCD控制器、2D圖形控制器，以及內(nèi)存到內(nèi)存的DMA控制器。徹底減輕了外部串行端口和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)。兩個(gè)EBI使ARM9CPU和圖形處理器可同時(shí)、并行工作。

3.5.2Microchip單片機(jī)

確MicrochipTechnology（美國微芯科技公司）所有系列均為基于OTP和可再編程FLASH/EEPROM的MCU，同時(shí)還提供各種封裝形式、低電壓和低功耗芯片供選擇8位PIC10F閃存單片機(jī)系列它提供閃存程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)RAM。采用6引腳封裝，把PIC單片機(jī)架構(gòu)的卓越性能融入超小體積中，適合空間極為有限和成本極低的應(yīng)用，極易使用。P81Microchip五個(gè)MCU系列

·PIC12CXXX系列該系列采用基于RISC的PICmicro架構(gòu)的8引腳MCU,具有12位或14位兩種指令集類型,2.5V的低工作電壓,封裝體積小.·PIC16C5X系列該系列為低檔系列產(chǎn)品，擁有12位的指令集，OTPMCU的工作電壓可低至2.0V，這使該系列成為電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的理想選擇。此外，還有工作電壓高至15V的PIC16HV5XX?！IC17CXXX系列該系列采用了16位指令字，具有增強(qiáng)的指令集和強(qiáng)大的矢量中斷處理能力。其強(qiáng)大的高精度片上外設(shè)功能滿足了應(yīng)用的各類要求?！IC18增強(qiáng)型16位架構(gòu)系列該系列是高性能、CMOS、集成了模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列。采用先進(jìn)的RISC架構(gòu)，支持FLASH和OTPP80P81圖3-49PIC18F8X20結(jié)構(gòu)圖PIC18具有增強(qiáng)型內(nèi)核，32級堆棧和多種內(nèi)部和外部中斷源。哈佛結(jié)構(gòu),兩級指令流水線,所有指令在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。指令共有77條。帶大寄存器集，使MCU具有10MIPS的性能。PIC18器件還具備特殊功能模塊包括可編程低壓檢測（LVD）和可編程欠壓檢測（BOD）。P82集成IEEE802.3的PIC18F單片機(jī)系列

集成了符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信外設(shè)的8位單片機(jī)系列PIC18F97J60。專為嵌入式應(yīng)用而優(yōu)化，配備了MAC及PHY。PIC18F97J60這一高性能單片機(jī)系列將使基于單片機(jī)的應(yīng)用以一種兼具成本效益的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

3.5.3TI的嵌入式微控制器TI嵌入式微控制器系列的主要產(chǎn)品。TMS320C2000系列具備了MCU的靈活性和DSP的高性能，應(yīng)用于馬達(dá)控制和數(shù)字電源的控制。MSP430是超低功耗、16位RISCCPU,它在待機(jī)模式下耗電僅為0.8μW，運(yùn)行時(shí)功耗為250μA/MIPS，僅需1μS時(shí)鐘啟動(dòng)，MSP430適合電池供電的測量應(yīng)用，如測量、便攜儀表以及智能傳感等，當(dāng)應(yīng)用于血糖儀時(shí)，可以讓一顆紐扣電池工作10年不需要更換?，F(xiàn)有MSP430器件

通用的1xx及其升級版本2xx系列、針對特殊應(yīng)用的4xx系列,

以及更高性能的5xx/6xx系列。

P83圖3-50MSP430x15x結(jié)構(gòu)P84MSP430為16位RISCCPU,采用增強(qiáng)的ARM7TDMIRISC內(nèi)核，帶Flash存儲(chǔ)器，2個(gè)定時(shí)器,4xUARTsand3xCANsMSP430F系列MCUMSP430F系列MCU其特點(diǎn)是：

·大量的CPU內(nèi)核寄存器消除了單一或者少數(shù)累加器的瓶頸；

·針對C語言與匯編程序編程進(jìn)行了優(yōu)化,能以很小的代碼量開發(fā)出超低功耗的高性能應(yīng)用；

·緊湊的內(nèi)核設(shè)計(jì)降低功耗與成本；

·提供高達(dá)16DMIPS的性能。MSP430F1xx系列MCU帶有比較器的簡便低功耗控制器，MSP430F2xx是功耗極低的MCU，工作電流僅為200μA/MIPS,增加了模擬輸入數(shù)量等.MSP430F4xx系列帶有集成LCD控制器，配有1MB擴(kuò)展存儲(chǔ)器，120KB的嵌入式閃存以及完整的片上信號鏈(SC