混合信號FPGA實現(xiàn)真正單芯片SOC

要實現(xiàn)能夠?qū)⑺兄匾δ芗稍趩我黄骷脑O(shè)計理由很簡單，因為這樣就能將材料成本、部件庫存及電路板面積減至最低。另外，相較于多芯片解決方案，單芯片方案的功耗也較低，同時也有助于提高對知識產(chǎn)權(quán)的保護。如果一項設(shè)計功能的精髓能夠深植于單一芯片上，將會大大增加第三方取得這項設(shè)計的困難度。

單芯片系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師來說，往往會隨著其面對的不同的系統(tǒng)設(shè)計而各有不同。例如，在龐大的娛樂或通信消費產(chǎn)品市場中，SoC意味著一顆具有數(shù)百萬邏輯門的集成電路(IC)，其中包含許多大型定制邏輯模塊，并有將芯片的數(shù)字處理性能與外部世界連接的混合信號功能。在現(xiàn)實世界中，能夠支持這樣大規(guī)模的SoC開發(fā)的項目數(shù)量非常有限。

單芯片夢想

對大部分的設(shè)計團隊來說，這樣的SoC目標仍然是一個夢想。能夠大量生產(chǎn)以支持一個完全定制化混合信號芯片開發(fā)的產(chǎn)品仍然是少數(shù)。絕大部分的產(chǎn)品都是采用專用標準產(chǎn)品(ASSP)或微控制器作為其解決方案的核心。在這樣的情況下，想要找到一個能夠完全符合項目需求的器件通常是一大難題。就定義來看，ASSP能夠為某一特定應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計問題提供一種解決方案，但是這樣的典型解決方案不可能完全符合真實世界中的項目需求。結(jié)果，通常是采用性能和參數(shù)超過需求的器件，或開發(fā)附加電路以彌補標準產(chǎn)品與實際需求之間的落差。此外，ASSP的靈活度不高，一旦選用了某顆IC，它的功能往往會限制產(chǎn)品后續(xù)的設(shè)計進展。

大部分的常用解決方案都不免會以微控制器(MCU)為基礎(chǔ)。雖然其軟件可編程性可提供不錯的靈活度，但是很少有MCU能提供與典型嵌入式設(shè)計需求完全相符的功能。大部分這類的設(shè)計都會在MCU之外另加入不同形式的可編程邏輯(FPGA或CPLD)，以增加硬件中的邏輯功能。盡管現(xiàn)今市場上有各種帶有不同外設(shè)的MCU可供選用，但是絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)電路板上都沒有提供各種作為信號調(diào)節(jié)和I/O連接用途的模擬器件。

混合信號FPGA

愛特過去一直在通過提供Fusion混合信號FPGA，為上述設(shè)計提供解決方案。Fusion混合信號FPGA在單一器件上結(jié)合了高密度可編程邏輯和可配置模擬電路功能，另外還包括大容量的閃存模塊、完整的時鐘生成、管理電路以及在FPGA邏輯中嵌入微控制器軟核等設(shè)計選項。

SmartFusion混合信號FPGA將高密度、基于閃存的FPGA、一個具完整外設(shè)組合的ARM Cortex -M3微控制器內(nèi)核，以及高效可編程模擬功能全部都集成在一顆單芯片上。

圖1 SmartFusion混合信號FPGA結(jié)構(gòu)

ARM Cortex-M3處理器已不需要太多介紹。在SmartFusion芯片中，Cortex-M3處理器是個100MHz(125 DMIPS)器件，擁有最高容量為512KB的閃存和128KB的SRAM。在此系列FPGA中，處理器是一個硬核，這代表它是以最小面積來實現(xiàn)的，可帶來多項好處。它的效能足以執(zhí)行復雜算法，像精密電機控制、數(shù)個電機的多軸控制等。此外，在諸如系統(tǒng)管理等應(yīng)用中，它能執(zhí)行所有的電壓監(jiān)測、排序、風扇控制，以及相關(guān)的系統(tǒng)基本運作，同時還具備充裕的能力來執(zhí)行更高級、用戶應(yīng)用級別的任務(wù)。

外設(shè)與接口

與在SmartFusion器件中以更小面積實現(xiàn)處理器硬核的方式相同，此器件也包含了常用外設(shè)的完整組合。

圖2 SmartFusion系列器件具有豐富的外設(shè)及接口

SmartFusion器件提供一個10/100 Ethernet MAC(媒體存取控制器)和其他接口，諸如SPI、I2C以及UART。大量的數(shù)字(FPGA)I/O最快可執(zhí)行350MHz，并支持LVDS、PCI和LVPECL等I/O接口標準。慣于采用微控制器進行設(shè)計的工程師會喜歡此器件所包含的其他特性和功能，例如，實時時鐘、DMA控制器、外部存儲控制器、定時器和看門狗(watchdog)功能。

在硅片上，除了ARM Cortex-M3內(nèi)核，還有豐富的基于快閃的ProASIC 3 FPGA邏輯。此可編程邏輯可提供350MHz的系統(tǒng)效能；同時，SmartFusion系列器件最高可提供50萬門的可編程邏輯和108KB的內(nèi)建SRAM。基于快閃FPGA架構(gòu)可完全免于由高能量輻射引發(fā)的固件錯誤(radiation-induced firm errors)，此現(xiàn)象有時會影響基于SRAM的器件，同時也是許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的主要考慮因素。由于FPGA的配置是設(shè)定在快閃單元(flash cell)中(ARM內(nèi)核可從片上閃存執(zhí)行)，而整塊芯片是上電即用，無須等待配置文件從ROM或EPROM加載的時間。此外，閃存也能允許用來進行現(xiàn)場升級，但是有時出于系統(tǒng)安全考慮，這種現(xiàn)場升級功能被取消。在編程結(jié)束之后，進一步存取配置存儲器可被設(shè)置為永遠停用。

在微控制器子系統(tǒng)內(nèi)，有一個五層的ARM AHB總線矩陣架構(gòu)，理論上共可提供片上每秒16GB/s的頻寬。其中共有五個功能可供設(shè)定為總線主控(master)：10/100 Ethernet MAC、DMA控制器和FPGA架構(gòu)主控，另外兩個來自Cortex-M3內(nèi)核，而其他各種接口與存儲模塊則作為從屬(slave)。

可編程模擬

SmartFusion器件的第三個重要元素是高電壓雙極模擬功能。為了正確獲取來自應(yīng)用程序的信號，SmartFusion器件最高可具備三個12位逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其最高執(zhí)行速度為600ksps。每個ADC都有相對的第一階(first-order)1位sigma-delta DAC，能提供500ksps更新與12位有效分辨率。多個模擬功能都集中在信號調(diào)節(jié)模塊(signal conditioning block,SCB)中，其中包含準確高電壓和電流監(jiān)控器、溫度監(jiān)控器和高速比較器。此高壓監(jiān)控器，也稱為有源雙極預分壓器(active bipolar prescalers,ABPS)，可提供-11.5V+14V的電壓監(jiān)控能力。

此外，對系統(tǒng)管理或電源調(diào)節(jié)領(lǐng)域的設(shè)計人員來說，這也可作為絕佳的工具。器件中的電流監(jiān)控器可放大從外部感測電阻測量到的電壓降，而此感測電阻放置在應(yīng)用的電流回路上，差分增益為50。溫度監(jiān)控器能把一個簡單的PN結(jié)的電壓降轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。器件具備數(shù)量很多的片上比較器(在一50萬門器件中最多有10個)，而且速度非常快，傳送時間僅為50ns。