許多嵌入式系統設計首先使用 FPGA 來實現。這可能是為了更快地進行原型設計或提供軟件開發平臺。有時，生產開始后，FPGA 仍保留在設計中。但通常情況下，計劃是將 FPGA（或多個 FPGA）轉換為 ASIC 以進行批量制造。

　　人們很容易認為這種轉換幾乎是自動的。只需使用 ASIC 庫重新編譯經過驗證的 FPGA RTL 代碼，驗證生成的網表，然后將文件發送到后端設計車間。但要獲得結果，過程可能沒那么簡單，特別是如果有機會將多個芯片整合到 ASIC 中或需要混合信號功能時。

　　近，智原科技參與了這樣一個智能電表的FPGA到ASIC轉換項目。該設計說明了轉換過程中的許多重要細微差別。這表明尋找合適的轉化合作伙伴的重要性。

　　智能電表設計

　　乍一看，電表很簡單。它監控客戶場所入口處的電力線電壓和電流，并記錄輸送的累積能量（在美國通常以千瓦小時為單位）。傳統上，這項任務是由相當聰明的電動機驅動機械計數器來完成的。

　　但智能電表則不同。智能電表消除了機電移動部件，對電壓和電流進行采樣并以數字方式累加它們的乘積。它還提供了一種遠程閱讀的方式，消除了人們拿著鉛筆和剪貼板挨家挨戶走動的情況。在我們正在討論的設計中，還有其他功能，例如如果電表檢測到異常電壓或電流事件，則切斷客戶駐地的電源并向網絡控制中心故障。

　　由于智能電表的大部分功能都在軟件中，因此硬件相對簡單，且大多與I/O相關（圖1）。在客戶的原型中，硬件包括主機處理器、充當 I/O 集線器的 FPGA、各種傳感器、主要通過串行接口連接的顯示器，以及用于返回網絡的電力線通信 （PLC） 的子系統控制中心。后一個元素被證明是設計的重要組成部分。

　　圖 1客戶的初始設計包括 FPGA 和外部主機 CPU。實現 EMI 和 ESD 合規性是整個設計過程中關注的一個問題。智原科技

　　PLC 接口需要獨特的媒體訪問控制器 （MAC）、物理層接口 （PHY） 和模擬前端 （AFE）。在原型設計中，所有這些功能都在FPGA中實現。然而，PLC 接口還需要外部線路驅動器和電源線耦合器。

　　FPGA 到 ASIC 轉換的主要目標是降低成本，部分是通過消除一些外部組件來實現的。然而，在具有挑戰性的使用環境中滿足靜電放電 （ESD） 和電磁干擾 （EMI） 抗擾度規范的需求（對于基于 FPGA 的 AFE 來說是一個真正的難題）也給設計團隊帶來了沉重的壓力。

　　轉換過程

　　FPGA 到 ASIC 的轉換過程遠非自動化，而是涉及設計服務公司和客戶之間的大量交互。結果是基于 ARM 的混合信號 ASIC 設計減少了芯片數量（圖 2）。

　　圖 2 ASIC 設計包括內部 CPU、外部控制信號的復雜復用以及電力線通信接口的模擬前端。智原科技

　　法拉第首先評估智能電表架構。我們決定，除了實現 FPGA 作為 I/O 集線器和 PLC 接口的現有功能外，ASIC 還可以承擔主處理器的功能。這導致了基于 ARM Cortex-M4F CPU 內核、AHB-Lite 系統總線和 ARM 外設總線的相當傳統的架構。

　　系統總線將接口連接到內部存儲器以及主要子系統。其中包括千兆位 MAC、DMA 控制器，以及 CRC 控制器和 AES 加密引擎（因為數據完整性和安全性對此應用至關重要）。

　　大量的 I/O 引腳通過復用連接到外設總線。該設計包括用于 CPU 的內部 ROM 和 SRAM、內部電子保險絲及其控制器，以及用于外部 SDRAM 和串行閃存的接口。

　　匯聚IP

　　智原與客戶共同選擇和配置 ASIC IP。這樣就可以簡單地用 Faraday、ARM 或第三方 ASIC IP 模塊替換 FPGA 中的許多模塊。剩余的 HDL 邏輯被轉換為 ASIC，Faraday 用等效的 ASIC IP 替換了 FPGA 鎖相環、SRAM 和 I/O 實例。

　　PLC 接口對于轉換過程至關重要，尤其是將模擬前端集成到 ASIC 中。這是一項具有挑戰性的模擬設計，因為不存在可以明顯滿足嚴格的 ESD 和 EMI 要求的現成 IP。因此，法拉第模擬設計團隊決定為該模塊創建新的設計。

　　Faraday 執行了 SoC 和時鐘分配的終集成以及基本功能驗證，以確保所有部件正常工作并相互通信。客戶進行了應用程序驅動的驗證和軟件集成。法拉第隨后進行了物理設計和簽核驗證。

　　再次，在驗證過程中，PLC 接口是一個特例。確保 ESD/EMI 合規性的方法是將物理芯片放在測試臺上。我們沒有把賭注押在整個生產運行上，而是決定對 AFE 進行測試芯片，并將其放在穿梭運行中，以實現晶圓廠的快速周轉。

　　智原與客戶約定，如果測試芯片通過合規性測試，客戶將支付測試芯片的費用。如果設計失敗，法拉第將糾正設計，并為糾正后的測試芯片提供班車。盡管如此，初的測試芯片還是通過了，這讓客戶大大放心了。

　　全面的合作

　　Faraday 現在向客戶批量提供成品、組裝和測試的 SoC。

　　這種智能電表設計表明，FPGA 到 ASIC 的轉換不是一個按鈕過程，也不是一種發送文件后就忘記的合同關系。特別是當存在獨特的功能塊、特殊的電氣要求或將多個芯片整合到一個 ASIC 中的機會時，該過程成為客戶和設計服務公司之間的密切合作。

　　成功的步是仔細評估設計服務公司的技術、IP 訪問、經驗以及與客戶設計團隊一對一合作的意愿。這些因素中的每一個都會對關系的結果產生影響，就像這個智能電表一樣。