|
就像雜技表演需要平衡一樣，電子產(chǎn)品的開發(fā)同樣需要在盡量嵌入更多智能設(shè)計和創(chuàng)建、實現(xiàn)并測試應(yīng)用程序所需的時間之間尋找平衡。電子設(shè)計不斷朝抽象度更高的方向發(fā)展，以確保能有效解決越來越復(fù)雜的設(shè)計問題。 在采用微處理器和數(shù)字設(shè)計的范例中，可以將一些設(shè)計從硬連接器件轉(zhuǎn)移到易于移植和易于更新的軟件領(lǐng)域，這樣就可以在一個“軟”環(huán)境中處理復(fù)雜問題。在整個設(shè)計過程中，“軟”環(huán)境一直都很靈活且容易改變。 如今，由于可編程器件(如FPGA)容量大、性能高、成本相對較低的特性，這種平衡又在發(fā)生變化，以前硬件設(shè)計元素(如處理器及其外圍器件和邏輯塊)也可以轉(zhuǎn)移到軟領(lǐng)域(圖1)。因此，在整個開發(fā)周期內(nèi)，靈活性可能更大，更改關(guān)鍵設(shè)計也更加方便，比如可以更改軟件與硬件實現(xiàn)之間的功能分區(qū)，甚至更改處理器的選擇。 與大量使用分立的現(xiàn)有處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)相比，目前開發(fā)基于FPGA的處理器應(yīng)用程序的做法仍很少。盡管FPGA已確實廣泛應(yīng)用于與嵌入式系統(tǒng)處理器密切相關(guān)的外圍邏輯中，但除了可編程設(shè)計之外，處理器及其重要外圍器件仍保持著導(dǎo)線連接。
部分原因來自于成本。FPGA的體積大、性能高，盡管能提供一個處理器的應(yīng)用平臺，但與性能相當(dāng)?shù)姆至?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/MCU" target="_blank" class="relatedlink">MCU相比，它也更加昂貴。因此，采用FPGA方案所產(chǎn)生的額外費用限制了FPGA方案的應(yīng)用范圍。不過最近，賽靈思Spartan-3系列等器件消除了價格上的限制，當(dāng)這些器件與合適的基于FPGA的處理器內(nèi)核相結(jié)合時，成本與收益的平衡將被打破。 即使價格不再是限制FPGA作為主流嵌入式系統(tǒng)平臺的唯一障礙，但仍存在另一個更難處理的問題，即我們需要改變對可編程邏輯器件的總體看法。我們不能僅僅把它們看成集成邏輯塊的有效方法，而是需要擴(kuò)大視野范圍，重新評估在器件(如FPGA)可重新配置的情況下我們對整個設(shè)計過程的看法。 對“界面友好”開發(fā)模型的需求 如果在更大范圍內(nèi)審度與嵌入式設(shè)計相關(guān)的FPGA現(xiàn)象，線索也許就在于微處理器本身的歷史。微處理器最初用于計算器，后來用于個人電腦。當(dāng)器件價格只占一小部分產(chǎn)品成本時，隨著技術(shù)的進(jìn)步，用戶界面友好的開發(fā)模型開始得到廣泛應(yīng)用(如高級編程語言C語言的應(yīng)用)。 由于軟件具有很好的靈活性和強(qiáng)大功能，所以它們可以創(chuàng)建一種新的設(shè)計模式，該模式可以自由創(chuàng)建和修改大部分系統(tǒng)功能而無需重新設(shè)計硬件。采用C語言編寫嵌入式應(yīng)用程序，意味著眾多設(shè)計工程師可以獲得其強(qiáng)大功能和靈活性，這促使基于處理器的嵌入式設(shè)計成為電子產(chǎn)品的主流設(shè)計。 FPGA可以大大增加系統(tǒng)中“軟”器件的數(shù)量，從而具有類似于引發(fā)設(shè)計革命的潛力。正如前文所述，大型可編程器件現(xiàn)在的價格使之足以與離散處理器系統(tǒng)競爭。為推動設(shè)計工程師采用FPGA器件作為嵌入式應(yīng)用平臺，需要一種用戶界面友好的開發(fā)方法。該方法既容易被大多數(shù)工程師理解，又能方便地將處理器、外圍硬件和軟件輕松集成在可編程平臺中。除此之外，一種在板極設(shè)計過程中集成FPGA設(shè)計的方法，可以讓用戶輕松應(yīng)對在新的“軟”設(shè)計模型中發(fā)生的變化。
但當(dāng)我們把FPGA看作系統(tǒng)平臺時，在HDL領(lǐng)域獲得必需的系統(tǒng)器件(例如處理器與外圍器件)，并在寄存器轉(zhuǎn)換級實現(xiàn)它們的過程十分復(fù)雜。對那些目前還不是FPGA專家的大多數(shù)工程師來說，這是一個令人生畏的過程。 但是，工程師在板級上開發(fā)同樣復(fù)雜的設(shè)計系統(tǒng)不會遇到這些困難，因為在板級上，系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)在用來創(chuàng)建設(shè)計的現(xiàn)有器件上，而工程師只是簡單地使用這些器件，并不需要了解其內(nèi)在復(fù)雜性。 因此，挖掘FPGA作為主流嵌入式系統(tǒng)平臺的潛能，關(guān)鍵就在于提供當(dāng)前板級設(shè)計與基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計之間的無縫轉(zhuǎn)換。 未來的設(shè)計工具與嵌入式智能 設(shè)計解決方案供應(yīng)商Altium公司提供的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)Altium Designer，近年來引領(lǐng)著設(shè)計工具的發(fā)展趨勢。Altium Designer為FPGA提供圖形輸入環(huán)境，其中包含高級FPGA器件庫。這些器件包括一系列處理器內(nèi)核和外圍器件，它們?yōu)榇罅磕繕?biāo)FPGA器件提供預(yù)綜合。由于器件是現(xiàn)成的，所以創(chuàng)建系統(tǒng)硬件幾乎成了“拖放”操作。 這個系統(tǒng)包含自行設(shè)計、免費的32位處理器TSK3000，該處理器可被用于大量FPGA器件及其它系列產(chǎn)品中。其它能支持的運行平臺包括賽靈思MicroBlaze內(nèi)核和內(nèi)嵌于Virtex II Pro器件中的硬PowerPC處理器。 Altium Designer廣泛使用免費的開放式Wishbone處理器互連總線。為便于處理器和外圍器件的互連，它還提供多個可配置總線連接器件。基于Wishbone的封裝內(nèi)核可用于MicroBlaze和PowerPC等處理器，并且可以重新定位處理器之間的設(shè)計而無需重新設(shè)計該系統(tǒng)。一個通用的編譯引擎和集成工具鏈在軟件層支持這個過程。 這種方案的優(yōu)勢是嵌入式開發(fā)人員可以為他們的應(yīng)用軟件選擇最合適的運行平臺。他們可以采用TSK3000開始設(shè)計，如果以后需要更高性能，則可以將設(shè)計移植到PowerPC，或者移植到MicroBlaze解決方案。 Altium Designer系統(tǒng)最基本的優(yōu)勢在于，任何硬件開發(fā)商都可以利用現(xiàn)有技術(shù)，將系統(tǒng)復(fù)雜度由板級設(shè)計轉(zhuǎn)移到“軟”的可編程邏輯領(lǐng)域。這使得大量的設(shè)計工程師可從硬連接系統(tǒng)器件中解脫出來，并能發(fā)揮在快速變化的硬件和軟件環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計所帶來的優(yōu)勢。 設(shè)計流程朝“軟件”方向的轉(zhuǎn)變始于低成本微處理器的供應(yīng)。由于FPGA技術(shù)的進(jìn)步，這種轉(zhuǎn)變正走向一個新的階段。如今，電子產(chǎn)品的大部分智能主要取決于嵌入式軟件。通過FPGA，嵌入式智能將跨越可編程平臺中的軟件和軟連接器件(圖2)，這種可能性將刺激FPGA的廣泛使用，并為未來電子產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。 |
