AGM32 RISC-V+FPGA异构系列在数字示波器中的应用

作为一个从事硬件开发多年的理工老男人，见证了ARM从诞生到繁荣的整个历程。取代51，开始独霸江湖，我们似乎习惯了开发各类通用应用就从ST的ARM系列里寻找合适的MCU。随着国产替代的兴起，慢慢出现了兆易创新、华大、国民技术、灵动微等一系列国产方案，尤以兆易创新最为成功，可以直接替代ST的部分MCU，软件改动非常非常小。至此国产MCU进入了一个内卷的时代，没有特色，只有特别低的价格。

知道我对MCU设计的各类小产品的应用特别感兴趣，朋友给我带来了一个数字迷你示波器，特别小巧，携带非常方便。单通道，标注100Mhz带宽，500MS采样率。这样高的采样率必须使用高速AD及很高性能的处理器才行。出于好奇，我拆开了示波器，看看如何实现的。没想到硬件出奇的简单。另外一面为按键及320x240的彩屏。

从上图看到，示波器探头进来经过保护及衰减进入RS8751(250MHz的rail to rail运放)，再到高速AD（虽然48pin的AD芯片被抹掉了mark号，但很容易就查到是ADI的AD9288）,后面的数据处理及显示用的是GD32F407。GD32F407最高运行频率168MHz, AD9288双通道8bit 100Mhz高速AD。从各芯片的性能上来看，虽然AD9288用双通道AD实现单通道采样时可以达到2倍（200MS）的采样速率，但是GD32F407能通过什么接口读取这么快的数据呢？仔细看板子的PCB图，AD出来的数据口DA0~7, DB0~7都接到了GD32F407的IO端口PORT D上。

很显然，在这么高的速率下，GD407只能通过DMA的方式来不断读取端口D的数据。只要保证两者的频率一致，DMA就无需等待判断，不断读取数据即可。不得不佩服设计者的智慧，GD407的性能发挥到了极致。这种方案以极低的价格实现了极高的性能，佩服。但是不管如何，200MS的理论采样速度与产品实际标的500MS还是有点差距的。测量GD407给AD9288的时钟，在最高采样率的时候为125Mhz，超过了AD9288的标称值，只有一种可能是超频运行。以上只是方案探讨分析，有不同意见的可以留言发表，但不要乱喷，学习交流为主。

笔者由衷佩服设计者超高的软硬件设计能力，这的确给普通的设计者设置了非常高的门槛。但是在如今国产MCU如雨后春笋，层出不穷出现的时候，是否能用性价比更高的MCU来更简单地实现呢？

在ARM一统江湖的年代，RISC-V异军突起，大有不断蚕食ARM市场份额的苗头。RISC-V是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。

AGM Micro是领先的AGM32 32位MCU、可编程SoC、和异构（MCU）计算芯片和方案提供商，是一家芯片设计公司，致力于为消费电子、工控和AIoT中高量市场提供智能化的设计软件和芯片系统。AGM创立于2010年，刚开始致力于FPGA/CPLD的研发推广，在LED户外屏驱动市场占有大半壁江山后，于3年前切入MCU市场，助力国产替代。FPGA是AGM的传统优势，推出的MCU里也保留了这一部分，这就给开发人员提供了很大的想象和发挥空间。

AGM32F系列异构芯片内部框图：

1、超高的性价比（超高主频给了开发者更多的数据处理分析时间）

RISC-V开源内核，省去了IP授权费用，让利给了终端用户。248Mhz的超高主频，是STM32F207/407望尘莫及的。熟悉ST MCU的设计者能直接看出，内部的框图是与STM32F027非常接近的，除此之外，还有2K的FPGA，相当于4片ALTERA CPLD EPM570的容量。而这样相当于1片ST207+4片EPM570的AGM32芯片的售价也才1$多点，可以说性价比超高的。

2、灵活的自定义接口：（高速AD数据接口的实现）

看一下数字示波器使用的高速AD9288的数据接口，你会发现这个接口非常简单，每个时钟的下降沿直接获取数据即可，这个时钟的速度高达100Mhz，普通的MCU还真没有类似这种同步机制的接口来读数据。这里如果用AGM32里的FPGA来实现就非常容易了，要不了几句Verilog语言就实现了。这里就不贴代码了，实在是太简单了。

3、自定义的硬件加速模块（实现示波器的触发功能）

示波器的触发要求电压低于或者高于设置的电压时，开始采样后续的波形。这个电压比较就可以交给FPGA来实现。采样完电压后，FPGA先不用马上将数据发送给MCU， 而是直接进行判断，没有满足触发电压值之前丢弃所有的数据，直到满足触发条件，可以用中断的方式或者DMA流控的方式来实现。这个过程基本只要FPGA参与，MCU空闲等待即可。

4、FPGA/MCU相互协调，最大程度发挥性能

FPGA最擅长的就是大数据量的并行采集分析处理。这125M（超频）的高速AD数据采样即使使用了DMA数据读取，也会频繁与MCU抢占AHB总线，导致MCU的运行效率及其低下。如果用FPGA来做缓存就好很多了，FPGA在读取数据后进行缓存，当达到一个DMA的burst长度后通知DMA来读取，这样会大幅减少AHB总线的抢占情况。使MCU有更多的时间来刷新波形的显示，以及一些人机界面的操作。FPGA同时还能对采集到的数据进行缩放、过滤等，尽可能帮助MCU完成波形显示前的数据处理。

5、数字接口重定向（任何应用，2层PCB轻松完成）

这是AGM32F407 100pin的引脚描述。这里面定义的PIN_XX可以用软件定义成任意数字接口，如UART,SPI,IIC, PWM，IO等等。除了模拟部分，ADC, DAC，CMP，usb外，其它接口都能任意定义。这样根据PCB布局来调整数字接口部分的顺序，2层板就轻松搞定。这样布出来的板子不但美观大方，而且性能更加可靠，基本上不存在交叉走线的情况。

6、可以任意定义端口驱动能力

根据需要，可以任意定义每一个端口的驱动能力，大大加强了接口的抗干扰能力

7、防破解功能

很多产品在销售之前会抹掉主控芯片的MARK号码，防止竞争对手抄袭，包括笔者拆的这款示波器。这时候我们会根据外围电路，比如SPI flash， IIC的eeprom， UART口等对应于主控芯片的某几个引脚来猜测验证这是哪家的哪款型号。但如果你用了AGM的MCU，你会发现根本无从知晓。

啰里啰唆写了挺多的，估计要被年轻人嫌弃了。笔者写这个，可能会对原设计厂家有一定的影响，但这不是我的本意。我非常佩服设计者的设计开发能力，用GD407就实现了便携式数字示波器的功能，可见功力何等深厚。就像武侠世界里的顶尖高手一样，但是如果有一把趁手的兵器能助力你达到顶峰，你何不选择一下呢？

审核编辑：汤梓红