基于FPGA的單線聚合（SWA）-適用于FPGA開發(fā)人員和非FPGA開發(fā)人員

基于FPGA的單線聚合（SWA）——適用于FPGA開發(fā)人員和非FPGA開發(fā)人員在電子系統(tǒng)中，用于連接電路板和各個模塊之間的連接器不僅價格昂貴而且占據(jù)了電路板和系統(tǒng)的寶貴空間，并且它們還會降低產(chǎn)品的穩(wěn)定性。萊迪思開發(fā)了一種創(chuàng)新的方法，讓系統(tǒng)架構(gòu)師和開發(fā)人員使用尺寸極小的低功耗FPGA來大幅度減少板間和模塊間的連接器數(shù)量，在增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，降低了空間占用和成本。擁有FPGA設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者還能自定義該解決方案。即便沒有FPGA設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)人員依然能夠輕松快速完成部署。優(yōu)化連接當(dāng)今的絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都包含兩個及以上的電路板和/或模塊。（除非另有說明，否則下文中的術(shù)語“電路板”或“板”將默認(rèn)包括“模塊”。）對于系統(tǒng)設(shè)計師而言，經(jīng)常面臨的問題就是連接電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常見的解決方案是將多引腳連接器安裝在電路板上，然后使用多個線束或?qū)Ь€將電路板連接在一起。然而，每個連接器的引腳都是潛在的故障點(diǎn)，因此，除了增加成本和占用空間外，連接器通常還是影響電子系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。這意味著最大程度減少板間連接可以降低成本、減小空間占用并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖1所示，這些電路板之間信號的通信速率相對較低，使用的是通用I/O（GPIO）或者I2C和I2S等串行接口。圖1.傳統(tǒng)的連接器不僅價格高、占用空間，而且會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性各種系統(tǒng)的設(shè)計人員——從手持設(shè)備、筆記本電腦到工業(yè)控制器——都迫切希望最大程度減少連接器引腳數(shù)量和電路板之間的連線。單線聚合：FPGA的優(yōu)勢單線聚合（SWA）背后的原理是將多個信號匯聚到一個時分復(fù)用（TDM）信號中，而該信號在電路板間傳輸僅需要一根線纜。實(shí)現(xiàn)該方案的一個做法是為每種產(chǎn)品創(chuàng)建定制的專用集成電路（ASIC）（圖2）。圖2.開發(fā)定制ASIC價格昂貴且耗時，且非常不靈活然而，定制ASIC的解決方案有許多缺點(diǎn)，如開發(fā)成本高昂且耗時。更糟的是，它們所包含的任何算法和功能實(shí)際上都是“凍結(jié)在芯片中”，這意味著它們無法適應(yīng)不斷變化的需求。例如銷售主管突然宣布：“我們最大的客戶說需要用兩個I2C通道替代其中一個I2S接口?！崩硐氲慕鉀Q方案是采用低成本的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），如萊迪思半導(dǎo)體的iCE40UltraPlus?器件（圖3）。圖3.FPGA價格較低且非常靈活使用FPGA實(shí)現(xiàn)單線聚合功能的一個巨大優(yōu)勢是它們非常靈活，可以快速輕松地進(jìn)行定制設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量和類型的各種通道。FPGA設(shè)計人員使用iCE40UltraPlus實(shí)現(xiàn)單線聚合上一段中有這樣一句表述：“基于FPGA的單線聚合可以快速輕松地進(jìn)行定制設(shè)計”。這句話有個前提那就是需要非常熟悉FPGA設(shè)計。如果您是FPGA設(shè)計人員，萊迪思可為您提供行業(yè)最易于使用的FPGA開發(fā)工具。此外，在單線聚合解決方案中，萊迪思還提供全套參考設(shè)計資源，搭配其行業(yè)領(lǐng)先的iCE40UltraPlus?FPGA：?易于修改、參數(shù)化的單線聚合參考設(shè)計的源代碼，可在萊迪思Radiant設(shè)計工具上運(yùn)行?免費(fèi)使用LatticeRadiant?設(shè)計工具?相關(guān)的參考設(shè)計用戶指南?單線聚合演示和開發(fā)板然而，并非所有的設(shè)計團(tuán)隊(duì)都有FPGA設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。幸好，萊迪思也專為非FPGA設(shè)計人員提供解決方案。非FPGA設(shè)計人員使用iCE40UltraPlus實(shí)現(xiàn)單線聚合拿一個基于微控制器（MCU）的系統(tǒng)舉例。設(shè)計團(tuán)隊(duì)的某些成員可以熟練使用C或C++之類的語言來開發(fā)軟件，然后運(yùn)行軟件編譯器，軟件編譯器以機(jī)器代碼生成可執(zhí)行文件。團(tuán)隊(duì)的其他成員只需將此機(jī)器代碼文件加載到MCU中，無須了解編程相關(guān)的任何信息。同樣，F(xiàn)PGA開發(fā)人員的專長是使用Verilog或VHDL等硬件描述語言（HDL）描述設(shè)計，然后運(yùn)行被稱之為邏輯綜合引擎的硬件編譯器，將HDL生成配置文件，也就是常說的位流。團(tuán)隊(duì)的其他成員可以將位流載入FPGA，無需了解關(guān)于FPGA設(shè)計的任何內(nèi)容。首個針對非FPGA設(shè)計人員的單線聚合解決方案提供了五種預(yù)先綜合的位流（圖4）。這些配置是對諸多實(shí)際應(yīng)用分析的結(jié)果，可以滿足各類系統(tǒng)設(shè)計的要求。圖4.提供預(yù)編譯的位流，擁有五種常見配置用戶可以從萊迪思網(wǎng)站單線聚合解決方案（/zh-CN/singlewire）下載《關(guān)于位流文件的用戶指南》。指南描述了如何將預(yù)配置的位流加載到iCE40UltraPlusFPGA中。此外，萊迪思還提供免費(fèi)的單線聚合設(shè)計服務(wù)。您可以訪問萊迪思的單線聚合開發(fā)板網(wǎng)頁（/zh-CN/products/developmentboardsandkits/singlewire），填寫表格，明確您的設(shè)計所需的通道組合，之后萊迪思設(shè)計團(tuán)隊(duì)將通過電子郵件給您發(fā)送相應(yīng)的位流文件。iCE40UltraPlusFPGA為了更好地闡述本文內(nèi)容，我們需要簡單了解一下實(shí)現(xiàn)單線聚合的器件。iCE40UltraPlusFPGA擁有靈活的邏輯架構(gòu)、2800或5280個4輸入查找表（LUT）、可定制的通用I/O（GPIO）、多達(dá)80Kb的嵌入式存儲塊（EBM）和多達(dá)1Mb嵌入式SRAM。iCE40UltraPlusFPGA可以在大多數(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)超低功耗的高級處理功能，其靜態(tài)電流低至75uA，工作電流低至1-10mA。此外iCE40UltraPlusFPGA還提供多種封裝選項(xiàng)，滿足各類應(yīng)用的需求：2.15x2.50mm超小尺寸WLCSP封裝專為消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備優(yōu)化，0.5mm引腳間距的7x7mmQFN封裝則可以滿足成本優(yōu)化型應(yīng)用的需求。由于配置位流可以直接加載到基于SRAM的配置單元中，因此iCE40UltraPlusFPGA可以反復(fù)地重新編程。這樣設(shè)計人員可嘗試使用不同的設(shè)計和位流，是項(xiàng)目原型開發(fā)階段的最佳選擇。如果在產(chǎn)品中使用基于SRAM的iCE40UltraPlus器件，那么可以通過板上MCU或從外部SPI閃存設(shè)備來加載配置。另外，iCE40UltraPlusFPGA還包含一次性可編程（OTP）片上非易失性配置存儲器（NVCM），非常適合大規(guī)模量產(chǎn)。對NVCM進(jìn)行編程后，器件將自動、快速且安全地從該配置啟動。單線聚合演示和開發(fā)板SWA演示和開發(fā)板包含兩片iCE40UltraPlusFPGA。一片用作數(shù)據(jù)生成器或數(shù)據(jù)驗(yàn)證器，另一片用于實(shí)現(xiàn)單線聚合參考設(shè)計（用作控制器或外設(shè)）。圖5展示了兩塊開發(fā)板的典型使用場景。在此案例中，左邊的開發(fā)板包括了數(shù)據(jù)生成器和單線聚合控制器，右邊的開發(fā)板則包括了單線聚合的外設(shè)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證器。圖5.單線聚合演示和開發(fā)板配置框圖觀察圖中的跳線。如果保留這些跳線，則來自左側(cè)演示板上數(shù)據(jù)發(fā)生器的數(shù)據(jù)將被饋送到單線聚合控制器參考設(shè)計中，該參考設(shè)計將其聚合為單個信號傳輸至右側(cè)板上。右側(cè)演示板上的單線聚合外設(shè)參考設(shè)計將接收聚合的信號，并將解聚的信號饋送到數(shù)據(jù)驗(yàn)證器。下圖6（a）展示了這一過程。圖6.兩種應(yīng)用案例單線聚合解決方案特性總結(jié)如上所述，單線聚合參考設(shè)計在兩片iCE40UltraPlusFPGA上運(yùn)行，其中一個FPGA以時分復(fù)用方式聚合多個數(shù)據(jù)流（例如I2C、I2S和GPIO），然后通過單線將其發(fā)送到另一個FPGA，解聚回原來的數(shù)據(jù)流。兩片F(xiàn)PGA之間的單線通信速度約為7.5Mbps。該設(shè)計也可自行配置——可以調(diào)整I2C/I2S總線數(shù)量和GPIO數(shù)量以及單線協(xié)議數(shù)據(jù)包的長度，并且FPGA之間的單線協(xié)議擁有錯誤檢測和重試功能。該解決方案的特性的簡要概述如下：?最多聚合7個通道?單線上的原始數(shù)據(jù)速率約為7.5Mbps或更高?數(shù)據(jù)包長度可變，可有效利用單線帶寬?接收端出現(xiàn)奇偶校檢錯誤時可重新進(jìn)行傳輸?支持I2C的Fast-mode（400kbps）和Fast-modePlus（1Mbps）?I2C中斷可以使用GPIO和基于事件的傳輸來實(shí)現(xiàn)?I2S支持單個立體聲通道、48Khz采樣速率、高達(dá)32位采樣以及雙向支持小結(jié)當(dāng)今的許多電子系統(tǒng)都包括多塊電路板。此外，這些系統(tǒng)大多使用多種不同類型接口（例如I2C、I2S和GPIO）從外圍設(shè)備和傳感器收集數(shù)據(jù)，并在電路板之間傳輸。在擁擠的電路板和連接器上傳輸信號本身可能會帶來很多問題，除此之外，電路板的面積和系統(tǒng)