FPGA的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

按傳統(tǒng)看法，F(xiàn)PGA使用內(nèi)存技術(shù)來存儲(chǔ)FPGA需要的邏輯配置。目前在用的有四種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，每種都有其優(yōu)缺點(diǎn)：基于SRAM的FPGA，帶內(nèi)部閃存的SRAM，基于閃存的，和反熔絲（又稱OTP，因?yàn)樗鼈儍H可編程一次）。

?基于SRAM的FPGA將邏輯單元配置文件存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器中，而靜態(tài)存儲(chǔ)器則由鎖在器陣列組成。由于SRAM是易失性，這種類型的FPGA必須在每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)重新編程。存在兩種基本的編程模式：

o主模式，此時(shí)FPGA從外部存儲(chǔ)源讀取的配置數(shù)據(jù)，比如從外部閃存芯片。

o從模式，此時(shí)FPGA由一個(gè)外部主設(shè)備來配置，比如由一個(gè)處理器。通常情況下，主要通過一個(gè)專用的配置界面或通過使用邊界掃描（JTAG）接口來完成。

o帶有內(nèi)部閃存的基于SRAM的FPGA省去了外部非易失性存儲(chǔ)的需求，所謂內(nèi)部閃存包含了內(nèi)部閃存塊。

o純正的基于Flash的FPGA采用Flash作為一個(gè)主要存儲(chǔ)源來進(jìn)行配置存儲(chǔ)，因此不需要外部非易失性存儲(chǔ)器。該技術(shù)比基于SRAM的FPGA耗電少，更耐輻射的影響。

o基于反熔絲（OTP）的FPGA與前面提到的技術(shù)差異很大，因?yàn)樗鼈儍H可編程一次。 （反熔絲器件最初不傳導(dǎo)電流，但可以燒寫成導(dǎo)通狀態(tài)）。

當(dāng)前基于SRAM的FPGA密度最高，但功耗也大，需要一個(gè)外部非易失性存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)流。帶有內(nèi)置閃存模塊的基于SRAM的FPGA不需要外部配置存儲(chǔ)器。相較于基于SRAM的技術(shù)來說，基于閃存和反熔絲的FPGA的功耗要小得多。

內(nèi)嵌處理器內(nèi)核

可編程器件最初是為了替代膠連邏輯，但隨著門密度的增長(zhǎng)，F(xiàn)PGA和CPLD廠商開始加入獨(dú)特功能的電路，來增強(qiáng)其未分配的門和邏輯的功能。這就導(dǎo)致了可編程芯片（SOPC）的出現(xiàn)，其中包含處理器這樣復(fù)雜器件的整個(gè)系統(tǒng)都被集成在單個(gè)可編程邏輯器件中。

今天，大多數(shù)FPGA和CPLD廠商提供一系列產(chǎn)品，供應(yīng)MCU和其它IP核功能。使用內(nèi)核使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員接觸到熟悉的開發(fā)工具集、操作系統(tǒng)和適用應(yīng)用需求的可調(diào)性能。

有兩種內(nèi)核——硬核和軟核。軟核按邏輯功能描述——并非物理實(shí)現(xiàn)——并且一般由HDL代碼組成。硬核，如其名稱所示，帶物理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)與FPGA和CPLD一同使用時(shí)，硬核通常稱為嵌入式內(nèi)核，因?yàn)樗鼈兦度朐诼阈局胁⒈豢删幊踢壿嫮h(huán)繞。

軟核有兩種實(shí)現(xiàn)方案。第一種——通常更常見——是采用供應(yīng)商已經(jīng)支持的設(shè)計(jì)（但仍取決于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來決定增加I / O和其它外圍設(shè)備）。另外一個(gè)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)HDL具有代碼購(gòu)買權(quán)，并把它納入FPGA的HDL代碼中。

為加快研發(fā)時(shí)間并讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者更容易使用，可編程邏輯供應(yīng)商提供了各種流行的MCU內(nèi)核。 例如Altera公司，提供來自ARM、飛思卡爾半導(dǎo)體和英特爾的可用內(nèi)核——同時(shí)附帶自己的Nios和Nios II處理器內(nèi)核，這些自有內(nèi)核不需要支付版權(quán)費(fèi)。

賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC5集成了可配置的模擬和數(shù)字外設(shè)功能、存儲(chǔ)器和微控制器。PSoC5使用67 MHz的ARMCortexTM-M3內(nèi)核。PSoC4集成了ARM的Cortex-M0核心，而PSoC3集成了英特爾的8位MCU8051核心。

SoPC的優(yōu)點(diǎn)

使用內(nèi)含MCU功能的SoPC有幾個(gè)強(qiáng)大理由。第一個(gè)是要意識(shí)到使用專用MCU的隱形成本。如果該部件不具備有關(guān)特性的適當(dāng)組合，例如，外部邏輯和軟件，那么必須重新開發(fā)以彌補(bǔ)功能缺口。盡管MCU供應(yīng)商提供具有專門特性的器件，以滿足特定的應(yīng)用需求，但這些芯片沒有考慮到動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)條件下可能需要在非常短的時(shí)間內(nèi)加入一個(gè)新的接口或外圍設(shè)備的可能情況。

設(shè)計(jì)目前最先進(jìn)工藝技術(shù)的新款微控制器成本很高，也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。MCU供應(yīng)商已經(jīng)通過加入更多的特性來回應(yīng)市場(chǎng)需求——但其中的一些特性在某些應(yīng)用中并無任何用途。這也增加了產(chǎn)品成本，而這在成本敏感的市場(chǎng)中是致命的。

SoPC的出現(xiàn)“帥氣”地解決了這些問題。這種芯片可在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)需要進(jìn)行編程和重新編程，加快快速原型開發(fā)和縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間。 如果需求發(fā)生變化，SoPC還可以現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)——即便該設(shè)備已經(jīng)在某個(gè)產(chǎn)品中部署過。

因?yàn)榫邆淙骝?yàn)證、固件開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)可以最小化。設(shè)計(jì)工程師可以在系統(tǒng)中運(yùn)行SoPC，從而檢測(cè)該設(shè)備在真實(shí)世界運(yùn)行情況，從而確定潛在的設(shè)計(jì)缺陷。

在單個(gè)SOPC開發(fā)系統(tǒng)級(jí)軟件可以大大縮短整個(gè)軟件的開發(fā)周期。采用FPGA供應(yīng)商的工具可以更容易地發(fā)現(xiàn)bug，并確定兼容性問題。如果所需功能不能在軟件中實(shí)現(xiàn)，識(shí)別出額外的硬件支持需求也宜早不宜遲。對(duì)于之前未被發(fā)現(xiàn)的缺陷或加入新功能來說，SoPC可以快速修改，而不需要大量的一次性工程費(fèi)用或冗長(zhǎng)的制造周期。他們還提供展示樣品，可供銷售人員使用來增加確?？蛻纛A(yù)購(gòu)的概率。除了快速原型的優(yōu)勢(shì)外，許多情況下SoPC也可用于批量生產(chǎn)。

案例：汽車電子中處理器的靈活性

汽車對(duì)集成MCU的需求基本無止境。每一個(gè)主要系統(tǒng)——僅列出其中的幾個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)控制、制動(dòng)、底盤和娛樂信息——都至少需要一個(gè)MCU。傳統(tǒng)上，需求由定制的MCU來滿足，但隨著應(yīng)用（以及各種MCU變體）數(shù)量的增加，這一策略也受到質(zhì)疑。汽車制造商正在尋求更靈活、更易定制的解決方案，在某些情況下，F(xiàn)PGA是合適的選擇。

在汽車電子中已經(jīng)開始使用FPGA來實(shí)現(xiàn)圖形控制器，部分原因是因?yàn)殡S著計(jì)算和I / O需求的增長(zhǎng)，F(xiàn)PGA能夠迅速重新配置，以在沒有大幅增加一次性工程費(fèi)用的前提下滿足新挑戰(zhàn)。圖4顯示了Altera的CycloneIV，它可以被重新配置以處理日益苛刻的應(yīng)用。

圖4：Altera的Cyclone IV是一系列汽車圖形應(yīng)用中具有成本效益的解決方案。

在每個(gè)實(shí)現(xiàn)中，Altera的Nios II MCU內(nèi)核可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的規(guī)格自動(dòng)產(chǎn)生。通過使用QuartusII設(shè)計(jì)軟件中的Altera SOPC生成器，給設(shè)計(jì)選擇合適參數(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)邏輯所需的精準(zhǔn)功能和相應(yīng)功耗。

NIOS II采用RISC架構(gòu)，帶有獨(dú)立的32位地址和數(shù)據(jù)總線。兩種總線都有自己的緩存。然而設(shè)計(jì)師做出最終決定，比如是否為代碼和數(shù)據(jù)使用獨(dú)立的緩存——或者使用共享內(nèi)存方式。盡管Nios II具有其他先進(jìn)的處理器功能，但設(shè)置決定了它們的最終特性。舉例來說，硬件乘法器、桶形移位器以及硬件除法可以作為可選項(xiàng)。同樣的，指令和數(shù)據(jù)高速緩存也是可選項(xiàng)，可以改變大小或完全省掉。

結(jié)論

使用SoPC的解決方案帶來的靈活性為設(shè)計(jì)人員提供更多的機(jī)會(huì)，比如為某個(gè)特定應(yīng)用開發(fā)精準(zhǔn)的微控制器。該芯片可在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)需要進(jìn)行編程和重新編程，從而實(shí)現(xiàn)快速原型和縮短進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以在設(shè)計(jì)周期結(jié)束后立即完成，甚至是同步完成。 如果需求發(fā)生變化，SoPC也可以現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)——即便該器件已經(jīng)在某個(gè)產(chǎn)品中部署過。