針對微控制器應用的FPGA實現(xiàn)

當你打開任何智能電子設備(從老式的電視遙控器到全球定位系統(tǒng))，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的設備都至少采用了一個微控制器(MCU)，很多設備里還會有多個微控制器。MCU往往被用于專用的終端產(chǎn)品或設備中，它能夠很好地完成特殊任務。另一方面，PC的大腦，即微處理器被設計用于實現(xiàn)許多通用的功能。微控制器可用于降低成本，加固工業(yè)和自動化應用，將其嵌入FPGA中時，還可以通過重新編程迅速改變功能。這種靈活性使得單個設備可應用于接口標準不同的多個市場。

在選擇微控制器時應考慮哪些因素？本文將主要探討采用FPGA的嵌入式應用。不過，選擇任何微控制器的標準本質(zhì)上都是相同的。設計者需要考慮下列因素：終端產(chǎn)品的成本是多少？實現(xiàn)設計以及存儲控制程序需要多少內(nèi)存？對輸入輸出的要求？對寄存器的要求？如何與其它器件集成？

傳統(tǒng)的MCU已作為一種非定制的特殊應用標準產(chǎn)品(ASSP)上市，每個供應商都提供了不同的功能以實現(xiàn)差異化并迎合市場的各種需求。將FPGA與MCU IP結(jié)合可提供比傳統(tǒng)MCU更加靈活的硬件平臺，并有助于實現(xiàn)前面列出的各項考慮因素。

雖然FPGA比單片MCU昂貴，但其附加的功能(如嵌入式DSP、存儲塊以及靈活的I/O環(huán))可以抵消多個器件的成本；FPGA提供了更加靈活的存儲結(jié)構(gòu)，一旦數(shù)據(jù)和指令需要改變，則用戶可以調(diào)整硬件設計來與之匹配；現(xiàn)代系統(tǒng)中有各種各樣的信號標準和接口協(xié)議，因此對輸入輸出的要求非常嚴格，具有可編程片上緩沖器的FPGA在這個領域具有獨特優(yōu)勢。例如，Lattice MachXO器件可在各種電平下支持單端LVCMOS/LVTTL和差分LVDS/LVPECL。就寄存器和暫存存儲器資源而言，面向FPGA的MCU IP核所提供的靈活性可改變配置以滿足應用的需求；FPGA是解決器件集成問題的理想方案?？删幊滩檎冶?LUT)、寄存器和存儲器提供了額外的集成功能，同時靈活的可編程I/O和專用接口(如雙數(shù)據(jù)速率(DDR))使其與多個器件的握手更加容易。

對于許多微控制器應用來說，F(xiàn)PGA是非常理想的器件，因為其成本相對低廉，包含大量的嵌入式存儲塊，具有足夠的I/O以應對幾乎所有控制器功能，擁有豐富的寄存器，并支持包括LVCMOS、SSTL及差分LVDS信號傳輸在內(nèi)的許多I/O標準。

基于閃存的非易失性FPGA

FPGA的制造工藝有多種，包括一次性編程(反熔絲)、易失性(基于SRAM)，以及使用基于EE或閃存的非易失性工藝。

表1列出了器件密度、封裝類型、可用I/O數(shù)、嵌入式和分布式存儲器，以及PLL和嵌入式DSP塊。例如，基于閃存的FPGA采用130nm和90nm工藝。廣泛的選擇范圍使得找出滿足特殊微控制器應用需求的器件更容易一些。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/349465.htm 表1：基于閃存的非易失性FPGA產(chǎn)品

微控制器應用實例

FPGA的靈活性使其適用于許多微控制器應用，以及包含微控制器的更復雜的設計。

圖1：馬達控制應用

像家用電子設備、工業(yè)機器人以及正在增長的新興汽車應用(從GPS、引擎控制到制動系統(tǒng))這些產(chǎn)品都包括圖1、2和3中所示的微控制器。

圖2：導航系統(tǒng)應用

圖3：片上系統(tǒng)應用

在馬達控制應用中，系統(tǒng)發(fā)送和接收來自微控制器的信息，以調(diào)整步進電機的速度和方向。來自系統(tǒng)的輸入告知微控制器增大或減小馬達和控制器的速度，微控制器再依次告知系統(tǒng)馬達的實時速度和方向。

導航系統(tǒng)采用微控制器調(diào)整系統(tǒng)的圖像顯示器，根據(jù)微控制器的輸入提高或降低分辨率。

圖3中的設計展示了一個片上系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括微控制器、外圍總線和幾種外設功能，以及用于顯示寄存器文檔、暫存存儲器、調(diào)用棧、程序計數(shù)器、標記和跟蹤列表的硬件跟蹤調(diào)試器。同時還支持微控制器的單步、多步和斷點功能。

片上系統(tǒng)的例子可用來說明設計工具流程和實現(xiàn)(圖4)。

圖4：片上系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程及硬件開發(fā)流程

微控制器工具和實現(xiàn)

FPGA微控制器的高效率和緊湊實現(xiàn)使得2280 LUT MachXO器件可用于說明圖3中片上系統(tǒng)的設計。

啟動該設計的最簡單方法是參考“快速啟動指南”或項目向?qū)б徊揭徊降卦O計FPGA。一旦設計項目創(chuàng)建好，下一步就是編寫微控制器程序。C或匯編語言是目前最流行的MCU編程語言。圖5顯示了用匯編語言編寫的I2C Slave程序塊。

圖5：匯編代碼實例

必須對微控制器的每個單元進行分析以決定要執(zhí)行的操作。如代碼實例所示，I2C寫循環(huán)具有5種操作：讀狀態(tài)、寫器件地址、寫數(shù)據(jù)、寫字地址及返回。請注意代碼都加上了注釋。

雖然匯編語言的規(guī)范在各種MCU上大多是一致的，但設計者還是應該查閱供應商的MCU指令集文檔，以了解哪些操作是得到支持的。將匯編源代碼轉(zhuǎn)換到ROM初始化文件的匯編程序是由命令行驅(qū)動的，和指令集仿真器一樣，這可以通過匯編器供應商工具套件獲得或者從網(wǎng)上下載。其中有些工具是作為開放源代碼工具提供。例如，LatticeMico8微控制器IP(知識產(chǎn)權)就是作為開放源代碼提供，這是實現(xiàn)嵌入式微控制器的一種獨特有效途徑，可使用戶擁有最大的靈活性。

HDL調(diào)試和設計規(guī)則檢查

嵌入式微控制器IP可以描述整個設計，或者作為一個大型設計的一部分與附加代碼結(jié)合在一起。尋找一種有助于設計HDL調(diào)試和規(guī)則檢查的工具是非常明智的。這種工具會生成該設計的分層結(jié)構(gòu)和互連性的圖形表示。用戶可以通過各種圖形和分層結(jié)構(gòu)來觀察設計，并利用智能工具交互探測視圖以發(fā)現(xiàn)各種問題。

圖6：設計視圖—HDL調(diào)試工具

這對于IP集成的維護和復雜FPGA HDL設計的重設計都是很有用的，IP集成需要全面深入的途徑進行設計分析和管理。相比傳統(tǒng)仿真器或綜合工具，這種工具可以實現(xiàn)設計結(jié)構(gòu)的更高層抽象。這有助于創(chuàng)建并管理文檔以及分析設計結(jié)構(gòu)，從而極大地減少了花費在這些項目上的設計時間。

功能仿真

功能仿真首先創(chuàng)建一個工作庫，設計被編譯到該工作庫中。仿真器通過圖形用戶接口、菜單或命令行使該過程更加順利。這其中包含了設計文檔和測試向量(test bench)。測試向量實例化該設計，并將數(shù)據(jù)加載到輸入端。當運行設計時，測試向量被應用于該設計并顯示結(jié)果(通常以波形的形式)進行分析。

可利用各種仿真器實現(xiàn)設計的功能仿真。如果已對整個系統(tǒng)建模，則可以在系統(tǒng)級進行功能仿真，或者對單個設計單元進行仿真以確保正確的語法和功能已在RTL級建模。在這種特殊情況下，有兩家OEM的仿真器可供選擇。Aldec公司的Active-HDL Lattice Designer Edition Lite是一種附加的仿真環(huán)境。它不但提供混合語言VHDL和Verilog仿真，還可提供面向FPGA設計的可選設計流程。另一種選擇是Mentor Graphics的ModelSim，它能夠提供VHDL和Verilog語言以及門級時序仿真，以對設計進行完整的仿真和分析。

綜合

一旦完成功能仿真，下一步就是綜合。綜合可以用獨立的方式完成，或者在供應商的項目導航工具中作為后臺函數(shù)運行。綜合獲取設計、進行邏輯優(yōu)化并實現(xiàn)工藝映射。獨立模式綜合的步驟包括建立項目、加入源文件、設置約束、運行設計和分析結(jié)果。約束是綜合的實現(xiàn)選項，例如扇出限制、使用全局置位/復位。屬性則附屬于對象，以控制其依附的特定對象的優(yōu)化、映射和分析。目前可提供兩種領先的綜合工具。

Precision RTL綜合工具是Mentor Graphics公司的重要RTL綜合解決方案。利用Precision RTL界面可以很容易地獲取有用的特性和工具，例如示意圖(RTL/工藝)觀察器、約束分析器、PreciseTime(用于高級時序分析)、支持時序調(diào)整(re-timing)等等。這些高級工具有助于改進效率并最終優(yōu)化結(jié)果。

Synplicity公司的Synplify綜合工具是一款高性能、復雜的邏輯綜合引擎，它利用專有的行為提取綜合技術(Behavior Extracting Synthesis Technology)提供快速、高效的FPGA和CPLD設計。簡單的用戶接口和強大的綜合引擎結(jié)合在一起能迅速提供優(yōu)化的結(jié)果。

設計實現(xiàn)

面向映射、布局和布線(MPAR)的設計實現(xiàn)是利用供應商的工具套件完成。這一工具套件包含用于建立項目的項目導航器(Project Navigator)，以及任何FPGA設計所必需的其它工具。在這種情況下，源文件被放置在左邊的窗口，項目處理在右邊的窗口進行，但所有的窗口都是可停靠的，以便用戶定制任何視圖。Log窗口記錄所有的處理，并列出在處理過程中產(chǎn)生的全部警告和錯誤信息。用戶可以通過下拉菜單或者工具欄中的圖標使用各種工具。圖7為Lattice公司ispLEVER工具套件中的Project Navigator。

圖7：ispLEVER項目導航器

實現(xiàn)工具(如Design Planner)可提供I/O和引腳設置、物理和邏輯視圖以及平面布局。TCL/TK腳本可以運行多次迭代以優(yōu)化設計。Project Navigator中包含了靜態(tài)時序、邏輯調(diào)試和功率計算工具。

編程軟件

設計完成后，通過如圖8所示的編程軟件對硬件進行編程。這個工具將提供直觀的用戶界面GUI，可自動對系統(tǒng)主板進行掃描，選擇必需的編程文件并執(zhí)行合適的編程算法。通過供應商提供的SVF文件，該工具支持符合IEEE 1149.1標準的器件編程。對于大多數(shù)系統(tǒng)內(nèi)可編程器件來說，該工具還可以生成IEEE 1532 ISC數(shù)據(jù)文件。

圖8：編程接口

調(diào)試接口

一旦實現(xiàn)了硬件，設計者將主要關注運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件。ISS可用來確定原型功能以及評估對存儲器資源的需求。當硬件集成、端口連接以及查找錯誤均完成之后，通常不需要再更改代碼。

在嵌入式系統(tǒng)的FPGA設計流程中，采用匯編器對更改的程序進行再編譯，以建立FPGA片上指令或數(shù)據(jù)存儲配置的新存儲映像。然后通過一個簡單的ECO將映像再次映射至FPGA的存儲塊。這樣設計者就能跳過耗時的綜合以及設計流程的布局布線階段。存儲器初始化工具將利用匯編器創(chuàng)建的新型16進制或者2進制映像重寫存儲器配置。

一旦post-PAR數(shù)據(jù)庫被修改，則只需通過新的編程位流或者JEDEC對FPGA進行再編程。

能夠控制內(nèi)部寄存器以及在設計調(diào)試階段實現(xiàn)尋址是非常有用的。為達到這一目標，OrCAstra或JLINK接口等工具(如圖9和圖10所示)提供了功能強大、易于使用的方法。

圖9：JLINK寄存器文件接口GUI

圖10：JLINK Tap控制器接口GUI

本文小結(jié)

對于FPGA中的嵌入式微控制器設計而言，一個完整的系統(tǒng)設計需要一批強大的工具。本文中的例子采用了獨特的開放源代碼微控制器匯編器和指令集仿真工具。領先的第三方廠商可提供綜合和仿真工具。用于創(chuàng)建和優(yōu)化設計的重要實現(xiàn)工具，以及有效的編程和設計調(diào)試形成了這一綜合設計套件，它是設計獲得成功的關鍵。