利用可編程邏輯降低系統(tǒng)成本

可編程邏輯器件（pld）在性能、密度和功能方面獲得巨大進(jìn)步的同時(shí)，成本卻顯著下降。這一發(fā)展意味著當(dāng)成本和性能都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素時(shí)，設(shè)計(jì)者不再僅僅局限于使用assp、低成本asic和傳統(tǒng)的嵌入式處理器。方便使用的pld產(chǎn)品提供了能夠加快產(chǎn)品上市時(shí)間、延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的可重編程、可定制邏輯解決方案。

altera低成本產(chǎn)品概述

altera目前在原來(lái)極有競(jìng)爭(zhēng)力的幾款新產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，又推出了各款產(chǎn)品的第二代產(chǎn)品，它們可分為cpld系列產(chǎn)品（max ii）和fpga系列產(chǎn)品（cyclone ii、stratix ii、stratix gx）。max ii cpld產(chǎn)品：成本最低、密度最高的cpld（高達(dá)2,210個(gè)le和272個(gè)i/o）；具有非易失性和瞬時(shí)接通能力；低功耗（待機(jī)時(shí)間低至2ma）。cyclone ii fpga產(chǎn)品：低成本fpga；性能最佳；密度最高；具有高性能dsp和低成本嵌入式處理能力。
nios ii嵌入式處理器概述：它是一款可編程于fpga的軟處理器；支持32位risc架構(gòu)（3個(gè)cpu內(nèi)核），可支持性能優(yōu)化或尺寸（成本）優(yōu)化，具有性能/成本的極佳平衡；可永久使用/免版權(quán)稅許可；提供系統(tǒng)生成（sopc　builder）；支持ide環(huán)境。 6
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altera產(chǎn)品的應(yīng)用

消費(fèi)類(lèi)

（1）、可定制硬件設(shè)備
用戶(hù)在選用標(biāo)準(zhǔn)硬件時(shí)往往還希望有足夠的彈性去做定制化，以獲得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。例如一個(gè)影像解碼器，在新的市場(chǎng)環(huán)境中用戶(hù)希望它能增加新的功能，如硬盤(pán)、編碼器、還有連通性(如usb、ip、qam等)，使其變成一個(gè)媒體中心。

altera提供了具有標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)并同時(shí)支持不同產(chǎn)品的解決方案。方案由一個(gè)assp加一個(gè)altera fpga組成通用平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是可減化生產(chǎn)和庫(kù)存管理，減少系統(tǒng)的出錯(cuò)。在定制化的過(guò)程中，軟件小組可以不用考慮硬件的變化，先行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)軟件、驅(qū)動(dòng)器程序；而硬件工程師希望增加一些新功能，因而添加了新的cpld和fpga，可實(shí)現(xiàn)特性的增強(qiáng)、故障的修復(fù)、共享型的pvr和豐富的視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)；最后生成的時(shí)候用戶(hù)希望用asic的解決方案來(lái)降低價(jià)格，這時(shí)可增加新的系統(tǒng)或是子系統(tǒng)，如媒體的服務(wù)器或3d顯示器等。整個(gè)定制化過(guò)程都基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用平臺(tái)，所以對(duì)硬件不需要做任何的修改。

（2）、帶有cam（條件接收模塊）的機(jī)頂盒
條件接收模塊是有限電視廠商用來(lái)管理用戶(hù)訂購(gòu)的服務(wù)，模塊由兩個(gè)部分組成，一個(gè)stb、一個(gè)是cam，stb和cam之間是通過(guò)usb2.0或是pcmcia接口來(lái)連接。

條件接收模塊組成架構(gòu)：cyclone ii部分主要功能是條件接收硬件邏輯、存儲(chǔ)器控制、以及usb的pcmca接口。其中nios ii微處理器主要是處理控制功能；與cyclone ii連接的是一顆max ii epm240 cpld，它主要是做一些邏輯和安全的防護(hù)以及fpga的配置，同時(shí)它也監(jiān)視服務(wù)器端的視頻信號(hào)匯流。

工業(yè)和汽車(chē)

（1）、軍事或工業(yè)用高分辨率、小體積夜視視頻相機(jī)
該設(shè)備原來(lái)由5個(gè)內(nèi)部連接的pcb和17個(gè)ic組成，有5塊pcb板，整合后改用一塊集成nios ii處理器的cyclone ii板即實(shí)現(xiàn)了原先的功能，整機(jī)體積減少了50%，價(jià)格降了20%，耗電量只有原來(lái)的1/5。如圖1所示。

（2）、新一代汽車(chē)的視頻管理系統(tǒng)
它主要是由中間的視頻處理器來(lái)完成各種處理，中間的視頻處理器是一個(gè)中央處理器，它可處理從不同端來(lái)的視頻信號(hào)。其中后攝像機(jī)、后座顯示器等都屬于安全功能，dvd、tv則是乘客娛樂(lè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)應(yīng)用所需的低價(jià)位，尤其是其中的cyclone和cyclone ii 提供了高性能及低價(jià)位的完美結(jié)合。

測(cè)試和醫(yī)療

（1）、麻醉系統(tǒng)

麻醉氣體的監(jiān)控、麻醉控制板或是一些接口等等都運(yùn)用cyclone fpga實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)麻醉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：它由主cpu/顯示器用戶(hù)接口、控制和代理傳送、氣體監(jiān)控、電子混頻器及通風(fēng)i/f組成。其中顯示器是一單板電腦，有cpu和北橋；控制和代理傳送、以及氣體監(jiān)控、電子混頻器及通風(fēng)i/f，都是由配有fpga和具有pci定制化邏輯的模板搭建的。其中fpga中有一個(gè)nios ii cpu，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制；而avalon則用于周邊的匯流整合，如等待狀態(tài)功能或是匯流重組等。系統(tǒng)通過(guò)在一個(gè)通用平臺(tái)上進(jìn)行不同的定制，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用，從而節(jié)省了成本。

（2）、手持式測(cè)試儀器

該儀器設(shè)計(jì)架構(gòu)是一個(gè)通用的架構(gòu)，主要組成是一個(gè)sopc（可編程芯片系統(tǒng)），里面包括軟cpu、定制化邏輯及標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣的設(shè)計(jì)可符合市場(chǎng)上大部分的手持式測(cè)試儀器，且不會(huì)過(guò)時(shí)。

plexus個(gè)案研究

plexus公司產(chǎn)品要求

plexus是一家主要進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造服務(wù)的公司。其所生產(chǎn)的工業(yè)數(shù)據(jù)捕獲單元是在苛刻環(huán)境條件下（下雨、下雪或沙塵暴）使用的單元，用來(lái)記錄以各種速率移動(dòng)的移動(dòng)目標(biāo)的關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)。參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)捕獲單元中，并傳送至pc和服務(wù)器，供用戶(hù)監(jiān)控。

其產(chǎn)品要求：通過(guò)rs232實(shí)現(xiàn)與17個(gè)數(shù)據(jù)捕獲模塊的接口。捕獲模塊位于子卡上，系統(tǒng)需要能處理數(shù)據(jù)緩沖、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，外部需有rs232端口、rs485端口及以太網(wǎng)端口，必須探測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn)和速度、外部和內(nèi)部溫度監(jiān)控及風(fēng)扇和加熱器控制。

產(chǎn)品方案

a、原始方案
采用一個(gè)微處理器和多個(gè)分立的低端微控制器，連接在多點(diǎn)串行鏈路上。微處理器用來(lái)控制和監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，包括控制所有子卡；而下面子卡的部分由低端微控制器來(lái)控制整個(gè)模塊傳輸資料到微處理器；微處理器與子卡之間通過(guò)rs485進(jìn)行連接。這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是多個(gè)微處理器需要開(kāi)發(fā)軟件和編碼跟蹤，而且需要更多的硬件，因而不容易進(jìn)行測(cè)試和生產(chǎn)。這樣的設(shè)計(jì)在處理同步資料緩沖和傳送時(shí)很困難，如圖1所示。

使用cyclone nios ii處理器，所有設(shè)計(jì)都整合到fpga中，之前的子卡不需任何微控制器。另外因?yàn)槊總€(gè)子卡都有獨(dú)立的溝通管道，因而fpga跟任何子卡都可獨(dú)立溝通，在同時(shí)溝通時(shí)也沒(méi)有任何困難。同時(shí)其他的控制和監(jiān)控功能也都被包括在內(nèi)，如圖2所示。

nios ii具有以下性能優(yōu)勢(shì)，因而獲得了采用。
a、nios ii系統(tǒng)的sopc builder具備了該系統(tǒng)所需的絕大多數(shù)外設(shè)。
b、使用nios ii處理器可縮短現(xiàn)有的外設(shè)開(kāi)發(fā)時(shí)間，即降低了nre成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更快面市。

c、在sopc builder設(shè)計(jì)定義的總線體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)接口和外設(shè)所需的任何“膠合邏輯”，avalon都能完成處理。sopc builder定制外設(shè)非常容易，只要選擇合適的hdl檔案，定義avalon的信號(hào)界面和時(shí)序便可完成（通過(guò)一個(gè).ptf的文本文件來(lái)定義，方便修改）。

sopc builder還可生成hdl源代碼，使設(shè)計(jì)人員能夠增強(qiáng)或修改外設(shè)；sopc builder可提供軟件驅(qū)動(dòng)；能自動(dòng)生成system.h文件，簡(jiǎn)化了硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)，就算硬件在sopc builder改變位置，軟件

也不需重新定義硬件位置；可實(shí)現(xiàn)硬件/軟件協(xié)同仿真。

d、nios ii可提供開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

e、altera為nios ii提供了很有幫助的c樣本代碼。

f、整個(gè)設(shè)計(jì)是在一個(gè)cyclone ep1c12 fpga中實(shí)現(xiàn)的，它是一個(gè)整體系統(tǒng)的低成本方案，具有可伸縮性。

g、altera為nios ii提供良好的支持與培訓(xùn)。

h、最后nios ii處理器方案還具有良好的靈活性和可配置性，它可實(shí)現(xiàn)迅速、方便的改動(dòng)，具備短時(shí)間內(nèi)修改外設(shè)和系統(tǒng)配置的能力。 小結(jié)

設(shè)計(jì)在sopc中的nios ii處理器提供了低成本、靈活可配置的解決方案，此方案不僅節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還可根據(jù)設(shè)計(jì)添加和修改的要求，迅速進(jìn)行改動(dòng)。另外通過(guò)在一個(gè)cyclone fpga中使用nios ii處理器，降低了整體元件成本和元件數(shù)量。