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就像雜技表演需要平衡一樣，電子產(chǎn)品的開發(fā)同樣需要在盡量嵌入更多智能設計和創(chuàng)建、實現(xiàn)并測試應用程序所需的時間之間尋找平衡。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越復雜的設計問題。 在采用微處理器和數(shù)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域，這樣就可以在一個“軟”環(huán)境中處理復雜問題。在整個設計過程中，“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)也可以轉移到軟領域(圖1)。因此，在整個開發(fā)周期內，靈活性可能更大，更改關鍵設計也更加方便，比如可以更改軟件與硬件實現(xiàn)之間的功能分區(qū)，甚至更改處理器的選擇。 與大量使用分立的現(xiàn)有處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)相比，目前開發(fā)基于FPGA的處理器應用程序的做法仍很少。盡管FPGA已確實廣泛應用于與嵌入式系統(tǒng)處理器密切相關的外圍邏輯中，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導線連接。
部分原因來自于成本。FPGA的體積大、性能高，盡管能提供一個處理器的應用平臺，但與性能相當?shù)姆至?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/MCU" target="_blank" class="relatedlink">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。不過最近，賽靈思Spartan-3系列等器件消除了價格上的限制，當這些器件與合適的基于FPGA的處理器內核相結合時，成本與收益的平衡將被打破。 即使價格不再是限制FPGA作為主流嵌入式系統(tǒng)平臺的唯一障礙，但仍存在另一個更難處理的問題，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設計過程的看法。 對“界面友好”開發(fā)模型的需求 如果在更大范圍內審度與嵌入式設計相關的FPGA現(xiàn)象，線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，后來用于個人電腦。當器件價格只占一小部分產(chǎn)品成本時，隨著技術的進步，用戶界面友好的開發(fā)模型開始得到廣泛應用(如高級編程語言C語言的應用)。 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(tǒng)功能而無需重新設計硬件。采用C語言編寫嵌入式應用程序，意味著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(tǒng)中“軟”器件的數(shù)量，從而具有類似于引發(fā)設計革命的潛力。正如前文所述，大型可編程器件現(xiàn)在的價格使之足以與離散處理器系統(tǒng)競爭。為推動設計工程師采用FPGA器件作為嵌入式應用平臺，需要一種用戶界面友好的開發(fā)方法。該方法既容易被大多數(shù)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，一種在板極設計過程中集成FPGA設計的方法，可以讓用戶輕松應對在新的“軟”設計模型中發(fā)生的變化。
但當我們把FPGA看作系統(tǒng)平臺時，在HDL領域獲得必需的系統(tǒng)器件(例如處理器與外圍器件)，并在寄存器轉換級實現(xiàn)它們的過程十分復雜。對那些目前還不是FPGA專家的大多數(shù)工程師來說，這是一個令人生畏的過程。 但是，工程師在板級上開發(fā)同樣復雜的設計系統(tǒng)不會遇到這些困難，因為在板級上，系統(tǒng)的復雜性表現(xiàn)在用來創(chuàng)建設計的現(xiàn)有器件上，而工程師只是簡單地使用這些器件，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(tǒng)平臺的潛能，關鍵就在于提供當前板級設計與基于FPGA的系統(tǒng)設計之間的無縫轉換。 未來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)品開發(fā)系統(tǒng)Altium Designer，近年來引領著設計工具的發(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(xiàn)成的，所以創(chuàng)建系統(tǒng)硬件幾乎成了“拖放”操作。 這個系統(tǒng)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廣泛使用免費的開放式Wishbone處理器互連總線。為便于處理器和外圍器件的互連，它還提供多個可配置總線連接器件�；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需重新設計該系統(tǒng)。一個通用的編譯引擎和集成工具鏈在軟件層支持這個過程。 這種方案的優(yōu)勢是嵌入式開發(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(tǒng)最基本的優(yōu)勢在于，任何硬件開發(fā)商都可以利用現(xiàn)有技術，將系統(tǒng)復雜度由板級設計轉移到“軟”的可編程邏輯領域。這使得大量的設計工程師可從硬連接系統(tǒng)器件中解脫出來，并能發(fā)揮在快速變化的硬件和軟件環(huán)境中進行設計所帶來的優(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技術的進步，這種轉變正走向一個新的階段。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，并為未來電子產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎。 |
