在FPGA中植入嵌入式系统

 

　　如今，由于可编程器件(如FPGA)容量大、性能高、成本相对较低的特性，这种平衡又在发生变化，以前硬件设计元素(如处理器及其外围器件和逻辑块)也可以转移到软领域(图1)。因此，在整个开发周期内，灵活性可能更大，更改关键设计也更加方便，比如可以更改软件与硬件实现之间的功能分区，甚至更改处理器的选择。

　　与大量使用分立的现有处理器开发嵌入式系统相比，目前开发基于FPGA的处理器应用程序的做法仍很少。尽管FPGA已确实广泛应用于与嵌入式系统处理器密切相关的外围逻辑中，但除了可编程设计之外，处理器及其重要外围器件仍保持着导线连接。

　　

 

　　图1：随着用户买得起的高性能可编程器件的问世，设计工程师可将相当部分的硬件设计从硬连线平台转移到“软”环境中，从而节省设计时间、简化电路板设计并降低制造成本。

　　部分原因来自于成本。FPGA的体积大、性能高，尽管能提供一个处理器的应用平台，但与性能相当的分立MCU相比，它也更加昂贵。因此，采用FPGA方案所产生的额外费用限制了FPGA方案的应用范围。不过最近，赛灵思Spartan-3系列等器件消除了价格上的限制，当这些器件与合适的基于FPGA的处理器内核相结合时，成本与收益的平衡将被打破。

　　即使价格不再是限制FPGA作为主流嵌入式系统平台的唯一障碍，但仍存在另一个更难处理的问题，即我们需要改变对可编程逻辑器件的总体看法。我们不能仅仅把它们看成集成逻辑块的有效方法，而是需要扩大视野范围，重新评估在器件(如FPGA)可重新配置的情况下我们对整个设计过程的看法。

　　对“界面友好”开发模型的需求

　　如果在更大范围内审度与嵌入式设计相关的FPGA现象，线索也许就在于微处理器本身的历史。微处理器最初用于计算器，后来用于个人电脑。当器件价格只占一小部分产品成本时，随着技术的进步，用户界面友好的开发模型开始得到广泛应用(如高级编程语言C语言的应用)。

　　由于软件具有很好的灵活性和强大功能，所以它们可以创建一种新的设计模式，该模式可以自由创建和修改大部分系统功能而无需重新设计硬件。采用C语言编写嵌入式应用程序，意味着众多设计工程师可以获得其强大功能和灵活性，这促使基于处理器的嵌入式设计成为电子产品的主流设计。

　　FPGA可以大大增加系统中“软”器件的数量，从而具有类似于引发设计革命的潜力。正如前文所述，大型可编程器件现在的价格使之足以与离散处理器系统竞争。为推动设计工程师采用FPGA器件作为嵌入式应用平台，需要一种用户界面友好的开发方法。该方法既容易被大多数工程师理解，又能方便地将处理器、外围硬件和软件轻松集成在可编程平台中。除此之外，一种在板极设计过程中集成FPGA设计的方法，可以让用户轻松应对在新的“软”设计模型中发生的变化。

　　

 

　　图2：嵌入式产品智能包括软件以及包含在FPGA中的软连接系统器件，PCB仅成为器件智能连接外部世界的一个平台。

　　但当我们把FPGA看作系统平台时，在HDL领域获得必需的系统器件(例如处理器与外围器件)，并在寄存器转换级实现它们的过程十分复杂。对那些目前还不是FPGA专家的大多数工程师来说，这是一个令人生畏的过程。

　　但是，工程师在板级上开发同样复杂的设计系统不会遇到这些困难，因为在板级上，系统的复杂性表现在用来创建设计的现有器件上，而工程师只是简单地使用这些器件，并不需要了解其内在复杂性。

　　因此，挖掘FPGA作为主流嵌入式系统平台的潜能，关键就在于提供当前板级设计与基于FPGA的系统设计之间的无缝转换。