作者：Jack Shandle, Mouser Electronics FPGA的實現技術 按傳統看法，FPGA使用內存技術來存儲FPGA需要的邏輯配置。目前在用的有四種技術實現方式，每種都有其優缺點：基于SRAM的FPGA，帶內部閃存的SRAM，基于閃存的，和反熔絲（又稱OTP，因為它們僅可編程一次）。 ? 基于SRAM的FPGA將邏輯單元配置文件存儲在靜態存儲器中，而靜態存儲器則由鎖在器陣列組成。由于SRAM是易失性，這種類型的FPGA必須在每次系統啟動時重新編程。存在兩種基本的編程模式： o 主模式，此時FPGA從外部存儲源讀取的配置數據，比如從外部閃存芯片。 o 從模式，此時FPGA由一個外部主設備來配置，比如由一個處理器。通常情況下，主要通過一個專用的配置界面或通過使用邊界掃描（JTAG）接口來完成。 o 帶有內部閃存的基于SRAM的FPGA省去了外部非易失性存儲的需求，所謂內部閃存包含了內部閃存塊。 o 純正的基于Flash的FPGA采用Flash作為一個主要存儲源來進行配置存儲，因此不需要外部非易失性存儲器。該技術比基于SRAM的FPGA耗電少，更耐輻射的影響。 o 基于反熔絲（OTP）的FPGA與前面提到的技術差異很大，因為它們僅可編程一次。 （反熔絲器件最初不傳導電流，但可以燒寫成導通狀態）。 當前基于SRAM的FPGA密度最高，但功耗也大，需要一個外部非易失性存儲器來存儲配置數據流。帶有內置閃存模塊的基于SRAM的FPGA不需要外部配置存儲器。相較于基于SRAM的技術來說，基于閃存和反熔絲的FPGA的功耗要小得多。 內嵌處理器內核 可編程器件最初是為了替代膠連邏輯，但隨著門密度的增長，FPGA和CPLD廠商開始加入獨特功能的電路，來增強其未分配的門和邏輯的功能。這就導致了可編程芯片（SOPC）的出現，其中包含處理器這樣復雜器件的整個系統都被集成在單個可編程邏輯器件中。 今天，大多數FPGA和CPLD廠商提供一系列產品，供應MCU和其它IP核功能。使用內核使得系統設計人員接觸到熟悉的開發工具集、操作系統和適用應用需求的可調性能。 有兩種內核——硬核和軟核。軟核按邏輯功能描述——并非物理實現——并且一般由HDL代碼組成。硬核，如其名稱所示，帶物理實現。當與FPGA和CPLD一同使用時，硬核通常稱為嵌入式內核，因為它們嵌入在裸芯中并被可編程邏輯環繞。 軟核有兩種實現方案。第一種——通常更常見——是采用供應商已經支持的設計（但仍取決于設計團隊來決定增加I / O和其它外圍設備）。另外一個，設計團隊HDL具有代碼購買權，并把它納入FPGA的HDL代碼中。 為加快研發時間并讓系統設計者更容易使用，可編程邏輯供應商提供了各種流行的MCU內核。 例如Altera公司，提供來自ARM、飛思卡爾半導體和英特爾的可用內核——同時附帶自己的Nios?和Nios II處理器內核，這些自有內核不需要支付版權費。 賽普拉斯半導體公司的PSoC?5集成了可配置的模擬和數字外設功能、存儲器和微控制器。PSoC5使用67 MHz的ARM?CortexTM-M3內核。PSoC4集成了ARM的Cortex-M0核心，而PSoC3集成了英特爾的8位MCU8051核心。 SoPC的優點 使用內含MCU功能的SoPC有幾個強大理由。第一個是要意識到使用專用MCU的隱形成本。如果該部件不具備有關特性的適當組合，例如，外部邏輯和軟件，那么必須重新開發以彌補功能缺口。盡管MCU供應商提供具有專門特性的器件，以滿足特定的應用需求，但這些芯片沒有考慮到動態的市場條件下可能需要在非常短的時間內加入一個新的接口或外圍設備的可能情況。 設計目前最先進工藝技術的新款微控制器成本很高，也需要很長的時間。MCU供應商已經通過加入更多的特性來回應市場需求——但其中的一些特性在某些應用中并無任何用途。這也增加了產品成本，而這在成本敏感的市場中是致命的。 SoPC的出現“帥氣”地解決了這些問題。這種芯片可在設計過程中根據需要進行編程和重新編程，加快快速原型開發和縮短產品進入市場時間。 如果需求發生變化，SoPC還可以現場升級——即便該設備已經在某個產品中部署過。 因為具備全面驗證、固件開發和現場測試等優點，開發風險可以最小化。設計工程師可以在系統中運行SoPC，從而檢測該設備在真實世界運行情況，從而確定潛在的設計缺陷。 在單個SOPC開發系統級軟件可以大大縮短整個軟件的開發周期。采用FPGA供應商的工具可以更容易地發現bug，并確定兼容性問題。如果所需功能不能在軟件中實現，識別出額外的硬件支持需求也宜早不宜遲。對于之前未被發現的缺陷或加入新功能來說，SoPC可以快速修改，而不需要大量的一次性工程費用或冗長的制造周期。他們還提供展示樣品，可供銷售人員使用來增加確保客戶預購的概率。除了快速原型的優勢外，許多情況下SoPC也可用于批量生產。 案例：汽車電子中處理器的靈活性 汽車對集成MCU的需求基本無止境。每一個主要系統——僅列出其中的幾個：發動機控制、制動、底盤和娛樂信息——都至少需要一個MCU。傳統上，需求由定制的MCU來滿足，但隨著應用（以及各種MCU變體）數量的增加，這一策略也受到質疑。汽車制造商正在尋求更靈活、更易定制的解決方案，在某些情況下，FPGA是合適的選擇。 在汽車電子中已經開始使用FPGA來實現圖形控制器，部分原因是因為隨著計算和I / O需求的增長，FPGA能夠迅速重新配置，以在沒有大幅增加一次性工程費用的前提下滿足新挑戰。圖4顯示了Altera的Cyclone?IV，它可以被重新配置以處理日益苛刻的應用。 圖4：Altera的Cyclone IV是一系列汽車圖形應用中具有成本效益的解決方案。 在每個實現中，Altera的Nios II MCU內核可以根據設計人員的規格自動產生。通過使用Quartus?II設計軟件中的Altera SOPC生成器，給設計選擇合適參數后，可以實現邏輯所需的精準功能和相應功耗。 NIOS II采用RISC架構，帶有獨立的32位地址和數據總線。兩種總線都有自己的緩存。然而設計師做出最終決定，比如是否為代碼和數據使用獨立的緩存——或者使用共享內存方式。盡管Nios II具有其他先進的處理器功能，但設置決定了它們的最終特性。舉例來說，硬件乘法器、桶形移位器以及硬件除法可以作為可選項。同樣的，指令和數據高速緩存也是可選項，可以改變大小或完全省掉。 結論 使用SoPC的解決方案帶來的靈活性為設計人員提供更多的機會，比如為某個特定應用開發精準的微控制器。該芯片可在設計過程中根據需要進行編程和重新編程，從而實現快速原型和縮短進入市場時間。現場測試可以在設計周期結束后立即完成，甚至是同步完成。 如果需求發生變化，SoPC也可以現場升級——即便該器件已經在某個產品中部署過。 作者簡介 Jack Shandle 是一個自由撰稿人，撰寫包括無線、智能電網和半導體在內的電子技術類文章。Jack一直是多家電子出版物的主編，包括Electronic Design和ChipCenter。作為一名自由職業者，他為EE Times、EDN、CommsDesign和TechOnLine等出版商以及ARM的IQ Magazine、賽靈思的Xcell Journal和 Mentor Graphics的EDA Tech Forum等公司贊助刊物撰寫了數百篇文章。 (mbbeetchina)