FPGA在嵌入式測試系統(tǒng)中的優(yōu)勢和設計挑戰(zhàn)
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不同的嵌入式系統(tǒng)其設計要求相去甚遠。如果設計的是手持式設備(如PDA)，那么功耗是主要問題；而對機場或電影院售票設備，可靠性和安全將是主要考慮因素。當然，用戶界面在上述兩種系統(tǒng)中都是主要組成部分，但也有許多嵌入式系統(tǒng)還必須和傳感器和執(zhí)行器相連，這些系統(tǒng)要求對實際的激勵做出迅速反應并生成復雜輸出模式作為響應，完成這些動作需要處理引擎和系統(tǒng)輸入輸出端口緊密結合。
讓我們來看一下嵌入式系統(tǒng)和外界進行交流的方式。掌上計算器具有非常簡單的用戶界面，包括鍵盤和LCD顯示器，它不需要與傳感器或通信總線連接的接口。而對于一個汽車引擎控制單元，它雖然沒有用戶界面，但是需要與傳感器和執(zhí)行器進行通信，而且車輛網(wǎng)絡總線也是很重要的部分。當汽車進行維修保養(yǎng)時，技術人員會使用一種設備作為汽車電路的用戶界面，對大多數(shù)需要這種功能的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，用戶界面往往像這樣通過在設備上增加一個以太網(wǎng)端口，然后運行web服務器作為嵌入式系統(tǒng)功能的一部分來實現(xiàn)。路由器就是這樣一種設備，通常以“傻瓜”方式運行，但可通過一個web瀏覽器對其進行配置。
可以選擇多種方法和器件將智能化功能加入系統(tǒng)中，并且可將這些方法和器件進行混合配對以便以最佳方式達到設計要求。最靈活的平臺類型是將微處理器和操作系統(tǒng)結合起來，這種架構可以采取單板機帶實時操作系統(tǒng)(RTOS)內(nèi)核的形式，比如在ATM機或自動售貨機中。更復雜的系統(tǒng)則嵌入一個完整的PC，上面運行Windows或其它操作系統(tǒng)，這樣做可以利用現(xiàn)成的網(wǎng)絡接口功能連接到標準打印機上。
對于有的系統(tǒng)而言，PC或單板機可能太大或成本太高，而且它們或許也不能滿足性能需求。這時可以通過將現(xiàn)成的專用集成電路芯片(ASIC)集成到設計中來實現(xiàn)所要求的功能，如用DSP、運算放大器和通信總線收發(fā)器等，這種方法的缺陷是項目需要增加板級設計，而如果使用PC平臺，只需要將精力集中在系統(tǒng)級設計上即可。
但如果PC不能滿足需求，而且也沒有現(xiàn)成部件可以完成系統(tǒng)，那該怎么辦呢？這時不僅要考慮進行板級設計，而且還包括芯片級設計，需要設計并制造自己的ASIC或者是使用現(xiàn)成的可配置芯片：FPGA。其中一個需確定的因素是最終產(chǎn)品的數(shù)量，如果設計的是大批量產(chǎn)品如蜂窩電話，那么為了節(jié)約設計和裝配成本最好自行開發(fā)ASIC；但如果目標市場很小，則可以通過使用FPGA來減少成本。FPGA可以在更改系統(tǒng)時不必開發(fā)新的ASIC，如果系統(tǒng)需要升級或修改以便滿足特殊客戶的需要，這樣的方式是極為有利的。今天，F(xiàn)PGA已廣泛應用在打印機、復印機、測量設備、消費電子產(chǎn)品和自動控制模塊等嵌入式系統(tǒng)中。
測量和控制用FPGA
FPGA是一種具有可重配置邏輯門的芯片，與供應商提供功能定義的ASIC芯片不同，F(xiàn)PGA可根據(jù)每個應用的不同需要而進行配置和重新配置。由于FPGA允許在硬件中實現(xiàn)自定義算法，因此它具有精確時序和同步、快速決策及并行任務同時執(zhí)行等優(yōu)點。在PC或帶有RTOS和微處理器的平臺上，處理器必須對多個任務進行分時處理，而FPGA則可以配置為多個獨立的并行計算資源，簡言之，就像芯片上有多個微處理器一樣，且這些微處理器都針對特定的任務進行了優(yōu)化。
FPGA的性能和靈活性使得它們成為處理輸入輸出非常有效的技術。假如想計算那些比計數(shù)器處理的簡單上升或下降沿更有趣的模擬或數(shù)字事件，或者要確認一個基于特定事件順序或自定義通信協(xié)議的輸入模式，然后在幾納秒后觸發(fā)一個模擬操作，這時就可以利用FPGA監(jiān)視輸入信號，快速決定并做出反應。另外可以創(chuàng)建一個系統(tǒng)讀取脈寬調制信號并迅速計算占空比，更進一步，還可以對FPGA進行配置以利用自定義數(shù)字協(xié)議進行通信，如對輸入信息進行解碼，然后將信息組合編碼作為輸出數(shù)據(jù)包再發(fā)送出去，這種快速解碼在與非標準編碼器連接時有助于讀取和解讀出位置和速度信息。你可能甚至希望同時進行上述所有操作，并使得這些操作互相同步，且和其它輸入和輸出任務同步。
那么輸出的情況是怎樣的呢？通過自定義數(shù)字協(xié)議進行通信和生成PWM信號是這種類型很好的例子，也可以模擬一個連接到物理系統(tǒng)的電子器件或傳感器。如果是用一個基于軟件的系統(tǒng)完成此項工作，即使使用RTOS，輸出的性能也可能不一定夠。對于主控制算法，或許只需運行在幾千赫茲頻率上，這會造成CPU資源閑置，而且它只是告訴輸出做什么以及何時做，并沒有指明該怎樣做。具體來說，假定你的嵌入式系統(tǒng)是一個客戶用來測試引擎控制模塊的引擎模擬器，對汽車引擎建立了模型并且系統(tǒng)基于該模型進行實時模擬，通過模擬和數(shù)字I/O與控制器進行通信。如果在某個特定測試里模型按照控制器的指示進行操作，引擎開始運轉，但是不斷實時調整汽缸壓力傳感器模擬輸出以使控制器相信它是與一個真實運轉的引擎相連是非常困難的，輸出信號必須在運轉過程中形成以便對控制器的命令做出響應。但如果使用的是FPGA，就可以通過對其進行配置使其生成基于模擬模型的高級輸出信號。
面臨的挑戰(zhàn)
將FPGA集成到嵌入式系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是如何配置FPGA的邏輯，以及將傳感器輸入和控制輸出與它連接起來。許多嵌入式系統(tǒng)設計人員對于在實時操作系統(tǒng)下運行的微處理器上編程非常熟練，但他們不喜歡在芯片級對硬件進行定義，這需要有設計工具和語言如VHDL方面的知識。當然，冒昧進入芯片級領域還意味著需要設計和構建芯片周邊的電路板，雖然這對于一些嵌入式系統(tǒng)設計人員來說已經(jīng)過時了，但仍然有許多設計人員寧愿盡可能地使用現(xiàn)成的硬件，特別是當硬件必須精確地測量出傳感器數(shù)據(jù)并對其作數(shù)字化處理時。
目前有許多FPGA配置工具，有些工具需要VHDL或其它語言編碼完成硬件定義，有些工具提供了圖形配置環(huán)境，還有的工具允許你使用熟悉的工具編寫軟件，然后將代碼下載到FPGA中。在選擇哪種方式適合時需要考慮幾個問題，其中一個考慮因素是你的背景。你是否是一個富有經(jīng)驗的硬件開發(fā)人員并對FPGA的基本操作有深入的認識？如果是，就可以利用低級工具充分發(fā)揮你的經(jīng)驗并深入實地進行配置。也許你不是硬件工程師，但你是一位優(yōu)秀的程序員并且能很容易掌握新的編程語言，那么你可能需要選擇一個能夠讓你充分運用數(shù)據(jù)結構和程序細節(jié)進行編程的工具。另外一個可能是你既不是硬件專家也不是軟件專家，但由于你對整個系統(tǒng)內(nèi)在的理論或系統(tǒng)所投入的應用非常熟悉而來設計系統(tǒng)，如果是這種情況，那么應該選擇一個可以讓你以自己的語言進行設計的工具，而不必學習復雜的FPGA或硬件描述語言。
另一個很重要的考慮因素是你計劃設計的系統(tǒng)所要求達到的功能是什么。如果正在設計多個不同類型的系統(tǒng)，可能通用硬件設計工具最為適合。有許多人花費很多時間成為使用這些工具的專家，你也可以加入其中。如果想將涉及面縮小一些，那么也有工具去處理那些“常規(guī)”事務，而讓你專注于可以增值的地方。舉個例子，有許多工具可以幫助你很快開發(fā)出信號處理系統(tǒng)并將其配置到FPGA中去，也有一些經(jīng)優(yōu)化的工具專門用來增加測量和控制功能。
還需要考慮系統(tǒng)配置希望怎樣設置的問題。要有怎樣的尺寸？與PC連接嗎？有的FPGA開發(fā)工具要求你開發(fā)FPGA周邊所有硬件，另一些則要求使用一種特殊的內(nèi)建有FPGA的電路板。對于后者，很多和板上其它資源如I/O與總線連接的工作都已做好，這樣可以大大加快開發(fā)的進度，因為你無須關注諸如抗噪性、穩(wěn)定時間和串擾之類的事項。對于此類系統(tǒng)，你應該確保與I/O的連接只有一些簡單功能。如果系統(tǒng)需要大量與運行Windows或RTOS的PC連接，那么應選擇那些能夠跨平臺的設計工具。如果用于開發(fā)PC端接口的API很有限的話，設計效率將受到一定的影響。
設計系統(tǒng)
設計一個完整系統(tǒng)的第一步是確定你的算法哪一部分需要放到FPGA中并執(zhí)行，有以下幾種可能性。第一，整個應用都可以在FPGA上執(zhí)行，你無須通過鍵盤、顯示器或鼠標等用戶交互方式，在這種情況下，用軟件開發(fā)就可以完成所有工作。第二，也可能將應用嵌入到FPGA中去，但你想有一個在PC上運行的Windows用戶界面，這就意味著需要開發(fā)一個在Windows下運行的程序來和FPGA進行通信。這要看你的開發(fā)工具是否按照這種思路開發(fā)，可能很棘手，也可能很簡單。第三，另一個常見的情況是，你希望在FPGA和一個微處理器平臺如單板機或運行RTOS的嵌入式PC之間分配你的應用程序，在這種情況下可能也需要一個Windows用戶界面。
有幾個原因你可能無法將整個應用程序嵌入到FPGA中去。應用程序大小是其中之一，F(xiàn)PGA的邏輯門數(shù)量有限，并且最終放入FPGA中的代碼因編程人員以及生成代碼的自動系統(tǒng)不同而效率可能很高也可能很低，另外FPGA上供用戶使用的RAM容量也很有限，而基于PC的平臺一般都帶有相對較大的內(nèi)存和硬盤空間。另外一個需要考慮的問題是FPGA設計常常無法進行浮點運算，市面上有在FPGA上執(zhí)行浮點運算的工具，但它們可能可以也可能無法與你正在使用的開發(fā)工具兼容，如果無法全部以整型算法運行整個計算，可以放一部分在PC上執(zhí)行。PC還可以提供一些其它好處，而這些好處在FPGA上無法容易地實現(xiàn)，包括文件I/O、網(wǎng)絡操作、打印能力和基于PC的測量和控制能力，如圖形識別/處理、GPIB/VXI工具控制以及與工業(yè)總線如CAN、RS-232和RS-485的接口等。
本文小結
FPGA為嵌入式系統(tǒng)帶來了在尺寸、成本和性能上的優(yōu)點，特別對I/O處理加入智能特性非常有幫助，利用FPGA可以實現(xiàn)基于軟件且運行RTOS的系統(tǒng)無法實現(xiàn)的時序和同步。你可以通過微處理器和RTOS平臺如嵌入式PC執(zhí)行大多數(shù)應用程序，但需要芯片級解決方案進行信號解碼和編碼或生成輸出信息；同樣，你也可以在FPGA上執(zhí)行大多數(shù)應用程序，但需要另一個平臺來完成更高級的任務。使用FPGA有一些挑戰(zhàn)，但有許多工具可以幫助你解決這些問題。最主要的考慮因素是你的技術特點，系統(tǒng)需要完成什么任務以及系統(tǒng)如何設置。
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