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就像雜技表演需要平衡一樣，電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)同樣需要在盡量嵌入更多智能設計和創(chuàng )建、實(shí)現并測試應用程序所需的時(shí)間之間尋找平衡。電子設計不斷朝抽象度更高的方向發(fā)展，以確保能有效解決越來(lái)越復雜的設計問(wèn)題。 在采用微處理器和數字設計的范例中，可以將一些設計從硬連接器件轉移到易于移植和易于更新的軟件領(lǐng)域，這樣就可以在一個(gè)“軟”環(huán)境中處理復雜問(wèn)題。在整個(gè)設計過(guò)程中，“軟”環(huán)境一直都很靈活且容易改變。 如今，由于可編程器件(如FPGA)容量大、性能高、成本相對較低的特性，這種平衡又在發(fā)生變化，以前硬件設計元素(如處理器及其外圍器件和邏輯塊)也可以轉移到軟領(lǐng)域(圖1)。因此，在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期內，靈活性可能更大，更改關(guān)鍵設計也更加方便，比如可以更改軟件與硬件實(shí)現之間的功能分區，甚至更改處理器的選擇。 與大量使用分立的現有處理器開(kāi)發(fā)嵌入式系統相比，目前開(kāi)發(fā)基于FPGA的處理器應用程序的做法仍很少。盡管FPGA已確實(shí)廣泛應用于與嵌入式系統處理器密切相關(guān)的外圍邏輯中，但除了可編程設計之外，處理器及其重要外圍器件仍保持著(zhù)導線(xiàn)連接。
部分原因來(lái)自于成本。FPGA的體積大、性能高，盡管能提供一個(gè)處理器的應用平臺，但與性能相當的分立MCU相比，它也更加昂貴。因此，采用FPGA方案所產(chǎn)生的額外費用限制了FPGA方案的應用范圍。不過(guò)最近，賽靈思Spartan-3系列等器件消除了價(jià)格上的限制，當這些器件與合適的基于FPGA的處理器內核相結合時(shí)，成本與收益的平衡將被打破。 即使價(jià)格不再是限制FPGA作為主流嵌入式系統平臺的唯一障礙，但仍存在另一個(gè)更難處理的問(wèn)題，即我們需要改變對可編程邏輯器件的總體看法。我們不能僅僅把它們看成集成邏輯塊的有效方法，而是需要擴大視野范圍，重新評估在器件(如FPGA)可重新配置的情況下我們對整個(gè)設計過(guò)程的看法。 對“界面友好”開(kāi)發(fā)模型的需求 如果在更大范圍內審度與嵌入式設計相關(guān)的FPGA現象，線(xiàn)索也許就在于微處理器本身的歷史。微處理器最初用于計算器，后來(lái)用于個(gè)人電腦。當器件價(jià)格只占一小部分產(chǎn)品成本時(shí)，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，用戶(hù)界面友好的開(kāi)發(fā)模型開(kāi)始得到廣泛應用(如高級編程語(yǔ)言C語(yǔ)言的應用)。 由于軟件具有很好的靈活性和強大功能，所以它們可以創(chuàng )建一種新的設計模式，該模式可以自由創(chuàng )建和修改大部分系統功能而無(wú)需重新設計硬件。采用C語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式應用程序，意味著(zhù)眾多設計工程師可以獲得其強大功能和靈活性，這促使基于處理器的嵌入式設計成為電子產(chǎn)品的主流設計。 FPGA可以大大增加系統中“軟”器件的數量，從而具有類(lèi)似于引發(fā)設計革命的潛力。正如前文所述，大型可編程器件現在的價(jià)格使之足以與離散處理器系統競爭。為推動(dòng)設計工程師采用FPGA器件作為嵌入式應用平臺，需要一種用戶(hù)界面友好的開(kāi)發(fā)方法。該方法既容易被大多數工程師理解，又能方便地將處理器、外圍硬件和軟件輕松集成在可編程平臺中。除此之外，一種在板極設計過(guò)程中集成FPGA設計的方法，可以讓用戶(hù)輕松應對在新的“軟”設計模型中發(fā)生的變化。
但當我們把FPGA看作系統平臺時(shí)，在HDL領(lǐng)域獲得必需的系統器件(例如處理器與外圍器件)，并在寄存器轉換級實(shí)現它們的過(guò)程十分復雜。對那些目前還不是FPGA專(zhuān)家的大多數工程師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人生畏的過(guò)程。 但是，工程師在板級上開(kāi)發(fā)同樣復雜的設計系統不會(huì )遇到這些困難，因為在板級上，系統的復雜性表現在用來(lái)創(chuàng )建設計的現有器件上，而工程師只是簡(jiǎn)單地使用這些器件，并不需要了解其內在復雜性。 因此，挖掘FPGA作為主流嵌入式系統平臺的潛能，關(guān)鍵就在于提供當前板級設計與基于FPGA的系統設計之間的無(wú)縫轉換。 未來(lái)的設計工具與嵌入式智能 設計解決方案供應商Altium公司提供的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統Altium Designer，近年來(lái)引領(lǐng)著(zhù)設計工具的發(fā)展趨勢。Altium Designer為FPGA提供圖形輸入環(huán)境，其中包含高級FPGA器件庫。這些器件包括一系列處理器內核和外圍器件，它們?yōu)榇罅磕繕薋PGA器件提供預綜合。由于器件是現成的，所以創(chuàng )建系統硬件幾乎成了“拖放”操作。 這個(gè)系統包含自行設計、免費的32位處理器TSK3000，該處理器可被用于大量FPGA器件及其它系列產(chǎn)品中。其它能支持的運行平臺包括賽靈思MicroBlaze內核和內嵌于Virtex II Pro器件中的硬PowerPC處理器。 Altium Designer廣泛使用免費的開(kāi)放式Wishbone處理器互連總線(xiàn)。為便于處理器和外圍器件的互連，它還提供多個(gè)可配置總線(xiàn)連接器件�；赪ishbone的封裝內核可用于MicroBlaze和PowerPC等處理器，并且可以重新定位處理器之間的設計而無(wú)需重新設計該系統。一個(gè)通用的編譯引擎和集成工具鏈在軟件層支持這個(gè)過(guò)程。 這種方案的優(yōu)勢是嵌入式開(kāi)發(fā)人員可以為他們的應用軟件選擇最合適的運行平臺。他們可以采用TSK3000開(kāi)始設計，如果以后需要更高性能，則可以將設計移植到PowerPC，或者移植到MicroBlaze解決方案。 Altium Designer系統最基本的優(yōu)勢在于，任何硬件開(kāi)發(fā)商都可以利用現有技術(shù)，將系統復雜度由板級設計轉移到“軟”的可編程邏輯領(lǐng)域。這使得大量的設計工程師可從硬連接系統器件中解脫出來(lái)，并能發(fā)揮在快速變化的硬件和軟件環(huán)境中進(jìn)行設計所帶來(lái)的優(yōu)勢。 設計流程朝“軟件”方向的轉變始于低成本微處理器的供應。由于FPGA技術(shù)的進(jìn)步，這種轉變正走向一個(gè)新的階段。如今，電子產(chǎn)品的大部分智能主要取決于嵌入式軟件。通過(guò)FPGA，嵌入式智能將跨越可編程平臺中的軟件和軟連接器件(圖2)，這種可能性將刺激FPGA的廣泛使用，并為未來(lái)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)奠定基礎。 |
