基于ARM的快速原型化平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

可編程器件如CPLD和FPGA，可以在系統(tǒng)編程，修改連接只需要修改相應(yīng)的控制程序即可，非常方便靈活。CPLD成本低，運(yùn)行速度快，但是集成度比較低。FPGA集成度高，可以實(shí)現(xiàn)CPLD很難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的邏輯功能，例如內(nèi)嵌邏輯分析儀程序，獲取必要的信號(hào)，完成系統(tǒng)在線測(cè)試。FPGA另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以動(dòng)態(tài)配置，例如系統(tǒng)上電時(shí)配置自檢程序，自檢通過(guò)后再配置實(shí)際工作的程序。最后，在FPGA里面嵌入CPU軟核，進(jìn)行SOC的開(kāi)發(fā)。所以可編程互連模塊選用FPGA來(lái)組成。

為了確定可編程互連模塊的插入位置，再來(lái)分析圖2嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

最小系統(tǒng)決定了整個(gè)系統(tǒng)的處理能力，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。常用的嵌入式處理器的時(shí)鐘周期已經(jīng)高達(dá)400MHz，并且會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。連接處理器的總線速度和存儲(chǔ)器芯片的速度也超過(guò)了100MHz。FPGA引腳到引腳的延時(shí)是幾個(gè)納秒的數(shù)量級(jí)，所以FPGA模塊的插入會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的處理速度。故在處理器和存儲(chǔ)器之間不能插入FPGA模塊。外設(shè)可以使得嵌入式系統(tǒng)和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行通信和交互操作。通常外設(shè)已經(jīng)高度模塊化并且相互獨(dú)立，在外設(shè)之間幾乎不會(huì)有柔性連接的要求，而且處理器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信速度比最小系統(tǒng)的運(yùn)行速度要慢很多。因此，用互連模塊取代最小系統(tǒng)和外設(shè)之間的直接物理連接是切實(shí)可行的。

按照這種思路，設(shè)計(jì)出了如圖3所示的快速原型化平臺(tái)。

圖3(快速原型化平臺(tái))

圖3中，可編程互連模塊是快速原型化平臺(tái)的核心部分。常用的外設(shè)部分包括：網(wǎng)卡，USB接口，LVDS接口，RS-232接口，RS-485接口，音頻AC`97接口，PCMCIA/CF卡接口。這些常用外設(shè)就是前文提到的可重復(fù)利用的模塊。由于嵌入式處理器的總線、通用I/O、專(zhuān)用I/O和各種外設(shè)都連接在可編程互連模塊上，因此不同的嵌入式處理器只需要設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)即可，然后將該最小系統(tǒng)接入快速原型化平臺(tái)，利用這個(gè)平臺(tái)提供的外設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

以上設(shè)計(jì)的快速原型化平臺(tái)，不僅考慮了當(dāng)前嵌入式硬件系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)即嵌入式處理器種類(lèi)多，外設(shè)種類(lèi)相對(duì)較少，接口標(biāo)準(zhǔn)趨于統(tǒng)一，同時(shí)又充分體現(xiàn)了可測(cè)性、靈活性、模塊化的設(shè)計(jì)思想。

3 隨機(jī)方向信號(hào)的可配置互連

常見(jiàn)的信號(hào)傳輸方向不管是單向的還是雙向的，都可以預(yù)先確定。例如，數(shù)據(jù)總線是雙向的，讀或者寫(xiě)是完全確定的，可以通過(guò)讀寫(xiě)信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆较颉５怯幸活?lèi)特殊的總線，例如I2C，它是多主／從的通信總線。如圖4所示，如果設(shè)備1發(fā)起通信，則SCL上的信號(hào)傳輸方向是從設(shè)備1到設(shè)備2，如果是設(shè)備2作主設(shè)備發(fā)起通信，則SCL的上的信號(hào)傳輸方向剛好相反。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求總線上可以雙向傳輸信號(hào)。FPGA內(nèi)部由一系列的邏輯門(mén)組成，如果I2C 信號(hào)通過(guò)FPGA來(lái)連接的話，就不能正常工作。這是因?yàn)?，雙向傳輸可以等效視為由兩個(gè)反并聯(lián)的門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖5，用方向控制信號(hào)來(lái)確定實(shí)際的傳輸方向）。但是，I2C信號(hào)，沒(méi)有明確的方向控制信號(hào)，也就無(wú)法正確地通過(guò)圖5 所示結(jié)構(gòu)的電路。

圖4（I2C總線）

圖5（雙向信號(hào)傳輸）

如果直接布線或者跳線來(lái)連接I2C信號(hào)，就可以保證I2C正常工作，但是，這就和快速原型化平臺(tái)可配置互連的靈活性相違背，所以提出以下方案。 I2C信號(hào)不經(jīng)過(guò)FPGA來(lái)配置連接，而是通過(guò)基于MOSFET的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)。目前，市場(chǎng)上常用的點(diǎn)到點(diǎn)任意方向的MOSFET開(kāi)關(guān)并不能直接使用。因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的結(jié)構(gòu)是一路到多路或者多路到一路。利用CPLD來(lái)控制選通，多路并聯(lián)就可以組成8X8的點(diǎn)到點(diǎn)的隨機(jī)方向的可配置連接。如圖6，是一路到八路的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。