整合ARM、FPGA與可編程模擬電路設計的單芯片

設計人員極少實現(xiàn)單芯片解決方案，原因之一在于他們只能在有限的預定義功能組合中作出選擇。其它原因還包括應對設計變化的靈活性：功能與初始規(guī)格的匹配越精確，往后在項目進展過程中能夠適應不斷變化的要求的空間就越小。然而，一旦解決方案要采用多芯片來實現(xiàn)，設計安全性的問題就凸顯出來了。由于芯片間布線板級暴露，而且MCU代碼和/或FPGA配置數(shù)據(jù)沒有加密，整個設計便很容易被盜版。

而隨著Actel SmartFusion器件的推出，設計人員現(xiàn)在可以使用單芯片解決方案來提供期盼已久的可編程邏輯、可編程模擬電路與一個功能強大的業(yè)界領先32位架構微控制器內(nèi)核的結合。最重要的是，有一個同樣全面的工具鏈支持該器件的廣泛靈活性(模擬和數(shù)字功能均可定制)與ARM Cortex-M3處理器的軟件可編程性相結合。

F2: SmartFusion中的可編程模擬模塊(包括：精度為1%的ADC和DAC、多達3個采樣頻率為600 Ksps的12位ADC、最多三個12位第一階sigma delta DAC、 最多10個50 ns高速比較器以及集成多種溫度、電壓和電流監(jiān)控功能。)

愛特(Actel)公司在非易失性閃存工藝方面的戰(zhàn)略性投資，帶來了是三項截然不同的技術的整合。其優(yōu)勢相當明顯：快閃編程器件把它的可編程邏輯配置數(shù)據(jù)和微控制器程序代碼永久性存儲在片上，因此它能上電即用，而不必等待從鄰近的EEPROM 裝載配置數(shù)據(jù)。而這也大大有助于解決知識產(chǎn)權(IP)安全性問題，因為配置數(shù)據(jù)不再因器件間的傳送而暴露，從而避免被中途截取或被盜。更進一步的保護是出廠保護，即閃存一旦被編程就會被永久性鎖定以防止被讀取，這就是Actel器件上的FlashLock功能。此外，由于基于快閃的IC可對小批量器件進行編程，或是在制造過程的最后期在系統(tǒng)內(nèi)對器件編程，故而適合眾多中小型生產(chǎn)規(guī)模的典型嵌入式設計。

這種硅工藝技術還有其它的優(yōu)點。相比純邏輯CMOS工藝，快閃需要高電壓來編程和擦除，故內(nèi)置有高模擬電壓電平的監(jiān)控能力。愛特采用的工藝可實現(xiàn)片上模塊間的隔離(通過一種三阱結構)，允許模擬和數(shù)字模塊并排放置，卻又彼此互不干擾。盡管這是一個混合信號環(huán)境，模擬功能仍能夠保持出色的偏移和噪聲等參數(shù)規(guī)格。

F3: 微控制器子系統(tǒng)

在模擬能力方面，SmartFusion器件帶有多達3個12位逐次逼近(SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，支持全分辨率500 Ksps工作。其中每個ADC都有一個對應的第一階1位sigma-delta 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，而且具有500 Ksps的更新速度和高效的12位分辨率。它還有一個新的可編程元件，就是信號調(diào)節(jié)模塊(SCB)。SCB由精確的高壓監(jiān)控器、電流監(jiān)控器、溫度監(jiān)控器以及高速(50 ns)比較器組成。高壓監(jiān)控器，亦即有源雙極型預定標調(diào)節(jié)器(ABPS)，能夠提供從-11.5V到+14V的電壓監(jiān)控能力。專門設計的電流監(jiān)控器通過放大外接低阻值感測電阻上的電壓降來實現(xiàn)檢測電流；而溫度監(jiān)控器則通過外接二極管來實現(xiàn)檢測溫度。

所有這些模擬功能性在功能性配置和參數(shù)值方面都是完全可編程的，并擁有一個基于圖形用戶界面(GUI)的軟件環(huán)境，以及眾多用于板上FPGA配置的設計工具。

SmartFusion器件包含有多達500k可編程邏輯門電路，與基于快閃的 ProASIC3 FPGA器件系列一樣。這個邏輯電路支持350 MHz的系統(tǒng)性能，內(nèi)置容量高達108 Kb的 SRAM，并擁有大量工作頻率高至350 MHz的數(shù)字I/O，支持LVDS、LVPECL、PCI/PCI-X等接口標準，可驅(qū)動高達24mA的電流。設計選擇包括愛特的HDL(硬件描述語言)工具鏈、Libero集成設計環(huán)境，可以硬件創(chuàng)建邏輯功能，或者是在GUI以拖放式(drag-and-drop)操作創(chuàng)建設計。這種方法可快速輸入預定義的IP模塊，這些模塊可能是源于以前設計的復用元件，或者是愛特提供的函數(shù)庫內(nèi)的函數(shù)，也可能是第三方供應商提供的IP。

這些芯片上除了一個基于ARM Cortex-M3的微控制器子系統(tǒng)之外，還有眾多完全可配置邏輯和模擬功能。

相比分立IC，邏輯和線性模塊能夠提供不折不扣的高性能，同樣地，ARM Cortex-M3處理器也是一種全功能全規(guī)格的實現(xiàn)方案。它是一種已獲全面集成的功能性模塊——是一個“硬”核，而不是在FPGA邏輯部件上編程的“軟”版本。系統(tǒng)運行時鐘頻率高至100 MHz，性能可達 125 DMIPS，并帶512 KB 的閃存和64 KB 的 SRAM。它的功能強大，足以運行復雜的算法，比如精度電機控制，或者甚至好幾個電機的多軸控制。另外，在系統(tǒng)管理應用中，它能夠管理電壓監(jiān)控、定序(sequencing)、風扇控制及相關“系統(tǒng)內(nèi)務管理”等多項任務，同時仍有充足的容量來運行更高的用戶應用級任務。作為一個全功能的ARM Cortex-M3設計，它還帶有一系列外設，包括10/100 以太網(wǎng) MAC 和其它接口，比如SPI、I2C和UART等。混合信號I/O 線運行頻率高達180 MHz，可驅(qū)動6 mA的電流。其它微控制器工程人員常用的功能還包括實時時鐘、看門狗定時器、8路DMA控制器和外部存儲控制器(用于額外的代碼或數(shù)據(jù)的存儲)。為了最大效率地使用硅面積，這套外設也是“硬連線的”，但設計人員能夠通過使用鄰近的可編程邏輯來對之進行擴展和調(diào)整。ARM Cortex-M3 處理器經(jīng)由相同的5層AHB 總線矩陣結構與FPGA 結構緊密連接，片上外設連接性能帶寬高達16 Gbps。

如上所述，SmartFusion架構的處理能力顯而易見。此外，SmartFusion架構的靈活性優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下事實中：許多前端處理任務根本不需要調(diào)用ARM Cortex-M3處理器。與其它片上元件一樣，模擬計算引擎(ACE)也是一個全新的概念。ACE是一個半自治模塊，可在無需ARM Cortex-M3處理器干預下執(zhí)行擴展模擬預處理和后處理任務，比如信號采集的采樣和排序。

這個新的器件系列可為嵌入式系統(tǒng)設計人員提供真正的單芯片工具，其在硬件方面完全可配置，軟件方面完全可編程，并充分利用了ARM架構能夠支配的所有代碼設計資源。這些芯片還附帶有一整套工具，可以為軟件代碼編寫人員、模擬接口設計人員和RTL編程人員等提供一個熟悉的環(huán)境，而且能夠在這些技術人員向完整的FPGA、ARM和模擬領域拓展時予以他們支持。