FPGA進(jìn)行開發(fā)嵌入式系統(tǒng)中用的幾個發(fā)展方向

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)行各項軟硬件的驗證測試，所導(dǎo)致的工程資源的浪費是非常驚人的。

　　FPGA是通過邏輯組合來實現(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，并在其上運行操作系統(tǒng)。

　　由于FPGA是通過邏輯組合來實現(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證開發(fā)的角色，在消費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、電路仿真和驗證、PCB及CAM文檔資料瀏覽功能；Board Implementation可實現(xiàn)傳統(tǒng)板級電路設(shè)計、驗證及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)字電路實時驗證功能。