ASIC與ARM的“強(qiáng)手聯(lián)合”

引言

嵌入式世界的范圍和概念極其廣泛，可以從ASIC到MCU，而ASIC是有著巨大的潛力和創(chuàng)新力的一種技術(shù)，盡管它的設(shè)計(jì)非常昂貴，并且所需世界要花費(fèi)數(shù)年，但這依然不影響它的巨大市場(chǎng)潛力。相比而言，單片機(jī)方案就便宜得多，時(shí)間花費(fèi)也短，只需幾個(gè)月甚至幾周就可以了。但是不論ASIC還是單片機(jī)，他們都收到第三方芯片的限制。在最終產(chǎn)品上來說，他們還是有很多相似點(diǎn)和共同點(diǎn)的，都主要使用ARM CPU核，包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，片內(nèi)整合了大量的模擬功能，支持低功耗工作和快速喚醒。

圖1 嵌入式設(shè)計(jì)SoC和MCU對(duì)照?qǐng)D

這個(gè)對(duì)照?qǐng)D中間的是可編程平臺(tái)，它的設(shè)計(jì)不發(fā)生在硅級(jí)別，但能從功能上提供巨大的靈活性，可以集成到一個(gè)器件上。這種類型最明顯的例子就是FPGA和CPLD，他們功能強(qiáng)大，容量巨大。然而，這些器件并不能稱之為可編程平臺(tái)，因?yàn)樗麄兌际羌性跀?shù)字領(lǐng)域的。

為了在ASIC和MCU之間架起真正的橋梁，那就需要一個(gè)可編程平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)能夠提供模擬和數(shù)字功能的靈活性，不需要設(shè)計(jì)者是這兩方面的專家就能做好設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者想要這樣的平臺(tái)，在標(biāo)準(zhǔn)的MCU上加上可編程功能，利用他們現(xiàn)成的工具和系統(tǒng)。那么，理想的系統(tǒng)是這樣的，完全適合一種應(yīng)用，片上提供所有所需的外圍器件和接口，性能表現(xiàn)恰如其分，并沒有不需要的還要付錢的功能。

要實(shí)現(xiàn)這樣的靈活性需要一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)可以支持在SoC里實(shí)現(xiàn)可定制配置的高性能模擬功能和可編程數(shù)字邏輯，而不需要開發(fā)人員成為HDL或模擬設(shè)計(jì)的專家。微控制器有一些工具和模擬功能，但缺少配置性。FPGA有可配置的邏輯，也可以提供比較好的軟件，但是他們的缺點(diǎn)仍在于模擬方面和不能真正的低功率運(yùn)作。

1 ARM是實(shí)際應(yīng)用中的嵌入式標(biāo)準(zhǔn)

許多年來，ARM構(gòu)架一直是ASIC設(shè)計(jì)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，在很多高端嵌入式市場(chǎng)占統(tǒng)治地位，英特爾公司一直致力于個(gè)人電腦的使用推廣（沒有反編程克隆的問題）。在幾年前，Cortex M系列處理器核發(fā)布之后，人們很難找到一個(gè)沒有ARM核的現(xiàn)代單片機(jī)。

這種說法的真實(shí)性可以從遍布嵌入式工業(yè)的ARM支持者看出。跟SoC IP供應(yīng)商談及他們的目標(biāo)新產(chǎn)品使用的第一個(gè)總線體系結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)果永遠(yuǎn)是ARM的AMBA。和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）公司（那些還沒有被半導(dǎo)體公司購買）交談時(shí)，他們會(huì)告訴你，支持ARM是他們新產(chǎn)品的最高優(yōu)先級(jí)。

實(shí)際上，任何平臺(tái)希望在可編程部分尋求成功都必須使用ARM CPU。其結(jié)果是連續(xù)性的。工程師們不害怕變化。但是，他們經(jīng)常因變化而浪費(fèi)時(shí)間。在SoC的設(shè)計(jì)中，如果你不提供相同的CPU結(jié)構(gòu)，同樣的編譯器，同樣的IDE和調(diào)試器，同樣的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和相同的中間軟件包，就想吸引工程師不用他們的傳統(tǒng)的平臺(tái)轉(zhuǎn)向新的設(shè)計(jì)， 這是非常困難的。簡(jiǎn)而言之，軟件規(guī)則就是沒有人愿意離開原來的設(shè)計(jì)。除了真正的低端產(chǎn)品，他們能夠在8位設(shè)備上如8051上完成特定的嵌入式功能，任何不是ARM CPU的可編程平臺(tái)都很快歸類于少數(shù)領(lǐng)域，成為不占主導(dǎo)地位的架構(gòu)。

2 在可編程器件中添加模擬功能

不斷有可編程器件失敗，當(dāng)然，是指模擬功能。雖然有很多平臺(tái)可以整合重要的模擬功能，如高速通信接口，但真正的難點(diǎn)是要解決整合的傳統(tǒng)片外部件的低級(jí)電路問題。畢竟，現(xiàn)在的FPGA的物理層（PHY）的實(shí)現(xiàn)是完全把模擬部分的問題和設(shè)計(jì)者隔離的，只留標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口，就像其他的IP模塊。

真正的模擬挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)通用功能，如模擬數(shù)字和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、放大器和電壓比較器。這不僅僅是因?yàn)槟M電路是一個(gè)棘手的設(shè)計(jì)問題，更是因?yàn)橐恍├щy被轉(zhuǎn)交給了最終用戶。對(duì)于數(shù)字功能，例如，它可以把實(shí)現(xiàn)方式融入設(shè)計(jì)，路由到適當(dāng)?shù)腎/O，運(yùn)行靜態(tài)時(shí)序檢查，以及計(jì)劃中的所有工作。當(dāng)然，時(shí)序扮演了設(shè)計(jì)中的重要角色，但時(shí)序問題并不是IP整合的本質(zhì)的問題，而是器件運(yùn)行時(shí)的速度問題，整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，器件的利用率，以上這些都會(huì)影響到路由資源。然而，對(duì)于任何模擬設(shè)計(jì)，甚至簡(jiǎn)單的電路都很難設(shè)計(jì)，配置選項(xiàng)、片上路由和外部板設(shè)計(jì)，這些都很難做到最優(yōu)。

舉例來說，開關(guān)電容模塊是重要的模擬部件，因?yàn)樗麄兛梢耘渲贸稍S多方式，如可編程增益放大器（PGA），跨阻放大器（TIA），模擬過濾器，甚至是混頻器。然而，他們也給設(shè)計(jì)者帶來了問題，因?yàn)樗麄兊男袨橐蕾囉谀K的配置與電容的開關(guān)頻率。把這個(gè)功能放到一個(gè)芯片里固然很好，但是要從datasheet和一堆配置寄存器里明白如何使它工作就不容易了。

要解決這個(gè)問題當(dāng)然可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。把高性能模擬功能放到一顆器件里是一個(gè)解決方案。但是如果沒有一個(gè)開發(fā)工具來揭開配置過程的神秘面紗，那么當(dāng)最初選定可編程器件后，由于需要快速設(shè)計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)，在設(shè)計(jì)中很可能要引進(jìn)很多最開始計(jì)劃時(shí)沒有的片外器件。

要解決這些模擬問題的方法是一個(gè)軟件工具，它通過包括可編程模擬模塊和實(shí)現(xiàn)細(xì)則的器件提供了模塊和參數(shù)，使設(shè)計(jì)者不需了解功能如何實(shí)現(xiàn)。換句話說，設(shè)計(jì)者不需要了解傳統(tǒng)ADC芯片的工作原理，也不需要學(xué)習(xí)該集成器件的寄存器名稱和位域，只需要建立一個(gè)ADC就可以了。設(shè)計(jì)者不需要陷入計(jì)算時(shí)鐘頻率和匹配R和C值的困境，只需要根據(jù)其特征，特性（如可分辨率，最大采樣率，工作電壓范圍，等等）配置ADC即可。

一旦設(shè)計(jì)里確定了ADC，下一步就是裁剪它適合應(yīng)用的需求。最理想的情況是，這個(gè)過程通過設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果一個(gè)ADC支持一個(gè)范圍或固定的設(shè)置值，可以叫輸入范圍（群電壓不會(huì)給ADC供電），那么這些選擇應(yīng)該直觀地體現(xiàn)出來，通過一個(gè)操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)理想?yún)?shù)值的選擇。

圖2 一些工具，例如賽普拉斯的PSoC Creator可以通過選擇你所需要的功能實(shí)現(xiàn)可編程模擬電路設(shè)計(jì)，可以無需考慮實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

這種可編程平臺(tái)的工具中典型的例子就是賽普拉斯半導(dǎo)體的PSoC Creator。PSoC Creator支持PSoC 3和PSoC 5器件設(shè)計(jì)，它提供原理圖設(shè)計(jì)接口，用戶可以根據(jù)需要繪制，可以通過用戶參數(shù)編輯器來配置所選器件。在目錄里用戶可以預(yù)創(chuàng)建模擬（和數(shù)字）器件，在那里可以看到工程實(shí)例和數(shù)據(jù)手冊(cè)，就像是片外的ADC。當(dāng)在設(shè)計(jì)中使用一個(gè)器件時(shí)， 工具會(huì)自動(dòng)生成API接口，使用者不需要進(jìn)行寄存器設(shè)置，或者擔(dān)心ADC的次序或時(shí)序。

3 具備軟件開發(fā)環(huán)境的整合模擬數(shù)字功能的設(shè)計(jì)

使用模擬器件原理圖設(shè)計(jì)解決可編程模擬問題是很有效的，它并不是整個(gè)的解決方案。開發(fā)人員也需要一個(gè)工具支持?jǐn)?shù)字設(shè)計(jì)，更重要的是，還要支持應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

在數(shù)字設(shè)計(jì)里原理圖設(shè)計(jì)絕不是新鮮事物，支持?jǐn)?shù)字和模擬電路設(shè)計(jì)整合成一個(gè)單一的器件的平臺(tái)越來越受歡迎。然而，使用多個(gè)工具來完成一個(gè)設(shè)計(jì)，這也不能吸引開發(fā)人員。開發(fā)人員更希望在一個(gè)編輯器里進(jìn)行數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)，用相同的環(huán)境創(chuàng)建，調(diào)試和測(cè)試上述設(shè)計(jì)。

可編程平臺(tái)的供應(yīng)商需要記住，在MCU的世界，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)離不開軟件中心的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），需要它進(jìn)行源碼編輯、項(xiàng)目管理、工具編譯，在一個(gè)單一構(gòu)架下一起調(diào)試。在ASIC世界里，對(duì)于應(yīng)用開發(fā)，他們是相同的，芯片設(shè)計(jì)人員和軟件開發(fā)人員很少是一個(gè)團(tuán)隊(duì)。兩組中的任何一組都不希望丟棄他們方便的IDE增加新的工具來解決它們之前不關(guān)心的問題。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都需要一個(gè)現(xiàn)代的IDE，這個(gè)IDE看起來和用起來就像他們以前用過的那樣，甚至需要更引人注目的特點(diǎn)來證明IDE已經(jīng)變化了。

圖3 整合了模擬比較器和數(shù)字計(jì)數(shù)器的過電壓定時(shí)器電路

我們通過過電壓定時(shí)器舉例說明一下這些想法，它使用一個(gè)模擬比較器和一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器來監(jiān)控輸入電壓。如果引腳電壓超過參考值，比較器開啟計(jì)數(shù)器，一段特定的時(shí)間后 （當(dāng)然，這個(gè)時(shí)間可以通過設(shè)置一個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)），在引腳發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)并觸發(fā)中斷服務(wù)程序（ISR）。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子很容易地整合了數(shù)字和模擬電路設(shè)計(jì)，開發(fā)人員可以從草圖開始設(shè)計(jì)，只需考慮MCU的工作，也就是說，連接了引腳，時(shí)鐘，參考電壓和中斷，那么就可以設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)的功能了。

當(dāng)這個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)建后，開發(fā)環(huán)境為器件生成API。這使得開發(fā)人員可以不需了解它的實(shí)現(xiàn)方式，直接使用這些器件。例如，開發(fā)人員可以通過API改變計(jì)數(shù)器的timeout周期或得到其值，關(guān)閉中斷，關(guān)閉時(shí)鐘等等，不需要研究器件的參考手冊(cè)或示例代碼。通過從原理圖里建立硬件，可編程器件提供了固定功能芯片所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楣ぞ咦詣?dòng)提供了所有的設(shè)置代碼，使接口到所有片上功能的設(shè)計(jì)成為一個(gè)很簡(jiǎn)單的過程。

圖4 PSoC Creator創(chuàng)造者的工作瀏覽器窗口顯示了為比較器，計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘和中斷服務(wù)程序生成的源文件

API的生成其實(shí)是把硬件設(shè)置參數(shù)映射到軟件抽象概念的延伸。例如，要建立一個(gè)時(shí)鐘，開發(fā)人員只需要把它放到設(shè)計(jì)里然后設(shè)置所需的頻率。開發(fā)工具會(huì)負(fù)責(zé)如何從片內(nèi)或片外已知的時(shí)鐘源獲得在公差范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)念l率。啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)鐘只需要簡(jiǎn)單的調(diào)用API即可，例如ctr_clock_STart（）或ctr_clock_Stop（）。根本不需要修改寄存器來選擇時(shí)鐘源，設(shè)置分頻，選擇它就象是片上功能的輸入一樣，或者可以通過位操作實(shí)現(xiàn)開啟/關(guān)閉。

開發(fā)工具可以為系統(tǒng)資源（例如時(shí)鐘，中斷，DMA，或引腳）生成API，可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)，片上模擬、數(shù)字和通信外設(shè)API也使得開發(fā)可編程器件比MCUs 或 ASIC變得更容易。當(dāng)使用了最流行的嵌入式ARM核后，相對(duì)于文章開始所看到的對(duì)照?qǐng)D，集成的原理圖設(shè)計(jì)工具比對(duì)照?qǐng)D兩端的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。隨著可編程芯片越做越好，性能越做越強(qiáng)，ARM核越來越強(qiáng)大，模擬功能越來越強(qiáng)，成本越來越低，這一切似乎越來越清楚地表明，平臺(tái)支持的軟件將確定它在市場(chǎng)上是否會(huì)成功。日常開發(fā)工具是開啟芯片潛能和擴(kuò)大設(shè)計(jì)范圍的鑰匙，最重要的是，它會(huì)贏得嵌入式工程師的喜愛，因?yàn)樗麄円恢痹谧鲆患虑椋赫乙粋€(gè)更好的方法來解決所有難題。