可編程邏輯技術(shù)目前已經(jīng)能與ASIC(專用集成電路)和ASSP(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)爭(zhēng)奪市場(chǎng)，并逐漸呈現(xiàn)出取代ASIC和ASSP的趨勢(shì)，這極大程度上是因?yàn)?u>FPGA技術(shù)的發(fā)展。FPGA產(chǎn)品在邏輯密度、性能和功能上有了極大的提高，同時(shí)器件成本也大幅下降。
70年代人們已經(jīng)開(kāi)始使用ASIC，但ASIC也帶來(lái)一些問(wèn)題，隨著深亞微米ASIC掩模的成本接近50萬(wàn)美元，設(shè)計(jì)人員不得不重新評(píng)估定制的固定邏輯器件高昂的、不可再利用的工程成本。比如要不斷對(duì)ASIC進(jìn)行修正，有的問(wèn)題需要3~4次的再設(shè)計(jì)才能解決，這影響了了上市時(shí)間;而且一旦你的產(chǎn)品或技術(shù)需要升級(jí)時(shí)，又要進(jìn)行調(diào)整。如果把整個(gè)ASIC設(shè)計(jì)改變或修訂的話，成本相當(dāng)于5萬(wàn)美元。許多產(chǎn)品工程師發(fā)現(xiàn),ASIC只有在產(chǎn)量或銷售達(dá)到一定規(guī)模，才能平衡前期的投資。
正是基于這樣的考慮，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用FPGA。FPGA是可重新編程的，在把最初的設(shè)計(jì)下載到FPGA之后，如果發(fā)現(xiàn)芯片存在設(shè)計(jì)缺陷，即可在幾小時(shí)內(nèi)改動(dòng)設(shè)計(jì)和重新編程FPGA，并且不需要額外的經(jīng)費(fèi)。對(duì)于采用FPGA技術(shù)的設(shè)計(jì)工程師來(lái)講，這是一項(xiàng)極重要的優(yōu)點(diǎn)。
在FPGA越來(lái)越被廣泛使用的同時(shí)，在設(shè)計(jì)中同樣存在著一些問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上占有較大份額的FPGA廠商比如Xilinx，Altera和Actel等公司，他們都有自己的開(kāi)發(fā)工具和平臺(tái)，像ISE、Quartus等等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)用戶從一個(gè)廠商的產(chǎn)品轉(zhuǎn)到另一個(gè)廠商的產(chǎn)品時(shí)，他們需要花大量的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)新的開(kāi)發(fā)工具，即使改變同一廠商的不同型號(hào)的產(chǎn)品，仍需更換開(kāi)發(fā)平臺(tái)才行。所有這些都為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多的麻煩。
Altium公司的新產(chǎn)品Nexar 2004解決了上述問(wèn)題，Nexar為在FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案。它能夠進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。另外，和Nexar一起推出的還有一個(gè)開(kāi)發(fā)板—NanoBoard，NanoBoard以板上可重新配置的FPGA子板為主要特色，通過(guò)簡(jiǎn)單的插拔FPGA子板，用戶就可以隨意的更換不同廠商或同一廠商不同型號(hào)的FPGA產(chǎn)品，而無(wú)需改變開(kāi)發(fā)工具和平臺(tái)。目前，Nexar支持的FPGA包括：Altera :Cyclone、 StratixTM;Xilinx：SpartanIIE、 VirtexTM II、 Spartan III;將要包括Actel ProASICplusTM 。NanoBoard上包含豐富的接口和外圍設(shè)備，如CAN接口，RS232，VGA接口，I2C接口，PS2,小鍵盤，LCD等等，用戶可以根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，將設(shè)計(jì)下載到NanoBoard上的FPGA當(dāng)中進(jìn)行實(shí)際執(zhí)行，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
利用NanoBoard ，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工程師能在很短的時(shí)間內(nèi)找到設(shè)計(jì)的缺陷，而仿真會(huì)花數(shù)日、數(shù)周、甚至數(shù)月的時(shí)間才能完成。當(dāng)在電路中測(cè)量FPGA時(shí)，邏輯分析儀是關(guān)鍵角色，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量提供FPGA行為至關(guān)重要的信息。但是隨著FPGA所包容的邏輯量越來(lái)越多越來(lái)越復(fù)雜，需要在板上預(yù)留很多測(cè)試端口，顯然這是不可能的。Nexar IP 庫(kù)中含有大量的虛擬儀器，這些儀器都設(shè)計(jì)成IP元件的形式，其中最突出的是邏輯分析儀，在使用時(shí)只是在原理圖中將它連接在需要測(cè)試的總線上即可，設(shè)計(jì)一旦下載到FPGA中，就可以從外部控制虛擬儀器。從而免去了大量的實(shí)際連接工作。
除了FPGA以外我們還需要MCU才能完成一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA和MCU都是作為分立元件出現(xiàn)的，這使我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或者是在功能上進(jìn)行更新時(shí)變得十分困難，往往都會(huì)面臨著重新制板，從而延誤了產(chǎn)品上市的時(shí)間。另外。8位的MCU在國(guó)內(nèi)流行了二十幾年，直到現(xiàn)在還有非常廣闊的市場(chǎng)，主要應(yīng)用于工業(yè)控制，汽車電子。白色家電等領(lǐng)域。
利用8位MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)也存在很多問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上8位MCU產(chǎn)品包含了40多家供應(yīng)商所提供的近1,300種器件。一套8位開(kāi)發(fā)工具套件通常包括編譯器與仿真器，價(jià)格約4,000美元。一些情況下，工程師可以以很低的價(jià)格獲得這種開(kāi)發(fā)套件，但是很少有免費(fèi)的編譯器可用，而且?guī)缀跛械?位器件均要求有專用仿真器。通常采用幾種基于單一架構(gòu)的衍生器件就需要使用幾種仿真器。
MCU核的特點(diǎn)是量體裁衣，能夠讓用戶充分發(fā)揮創(chuàng)造力與想象力來(lái)開(kāi)發(fā)他們所需要的應(yīng)用。目前，Nexar包含三種體系架構(gòu)的MCU核，PIC165x，8位RISC ;8051，準(zhǔn)哈佛結(jié)構(gòu);Z80，經(jīng)典馮.諾一曼結(jié)構(gòu)。用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展核的功能，也可以進(jìn)行多核的設(shè)計(jì)。并且，Nexar集成了Tasking編譯技術(shù)，能夠針對(duì)每種MCU核提供相應(yīng)的編譯器。
另外，更先進(jìn)的應(yīng)用正在推動(dòng)設(shè)計(jì)界從8位處理器向32位過(guò)渡。同樣，Nexar也即將支持Xilinx的32位處理器內(nèi)核PPC405以及Altium自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的32位RISC處理器內(nèi)核TSK3000( 完全兼容MIPS R3000系列)，其采用RISC構(gòu)架和哈佛結(jié)構(gòu)的獨(dú)立32位指令和數(shù)據(jù)總線。在軟件無(wú)線電等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用“微處理器+協(xié)處理器”結(jié)構(gòu)，處理器一般使用通用DSP，主要完成系統(tǒng)通信和基帶處理等工作;協(xié)處理器用FPGA實(shí)現(xiàn)，主要完成同步和預(yù)處理等底層算法的運(yùn)算任務(wù)。利用IP來(lái)代替DSP，從而能在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣不僅能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還能提高系統(tǒng)的性能。
Altium公司的Nexar2004既能進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)又能進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)。利用NanoBoard，用戶能夠現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，在驗(yàn)證期間，可以利用Nexar庫(kù)里自帶的虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量，可以利用虛擬邏輯分析儀來(lái)獲取設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。這樣，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)與調(diào)試，而無(wú)需更換設(shè)計(jì)工具與平臺(tái)。
基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終要轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，用戶最終會(huì)把設(shè)計(jì)運(yùn)行在產(chǎn)品板上，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度及FPGA引腳的數(shù)量的增加，使得FPGA到PCB轉(zhuǎn)換的過(guò)程中要面臨很多問(wèn)題。其中之一就是要反復(fù)的改變引腳配置才能夠較好的完成板級(jí)設(shè)計(jì)。Altium公司的另一產(chǎn)品Protel2004就是一個(gè)板級(jí)的設(shè)計(jì)工具，Protel2004和Nexar2004能夠無(wú)縫的結(jié)合在一起，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，能夠?qū)PGA設(shè)計(jì)輕松的轉(zhuǎn)換為PCB設(shè)計(jì)所需的文件。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)能夠根據(jù)最佳的布線路徑對(duì)FPGA引腳進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，最后將改變后的引腳信息回注到FPGA設(shè)計(jì)當(dāng)中;反之，在FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，能將重新約束好的引腳信息同步到PCB設(shè)計(jì)當(dāng)中。最終能夠使FPGA設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)保持一致。目前，能夠做到FPGA和PCB設(shè)計(jì)完美結(jié)合的EDA開(kāi)發(fā)廠商寥寥無(wú)幾。
Nexar 2004在使用上非常簡(jiǎn)單，運(yùn)用近似于電路板級(jí)的設(shè)計(jì)方法就能輕松掌握。Nexar2004將會(huì)為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到積極的推動(dòng)作用!
