嵌入式系统设计之FPGA特点及发展趋势

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如何理解嵌入式设计
广义上讲，一般的嵌入式包括单片机，如51单片机、PIC、AVR、MIPS430和ARM处理器、DSP、FPGA等等。
FPGA的特点及其发展趋势
嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件（Programmable Logical Device）设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件（Field Programmable Gate Array）其设计性能已完全能够与ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。
FPGA的基本结构由以下几个部分构成：
Ø 可编程逻辑功能模块CLB（Configurable Logic Blocks）
Ø 可编程输入输出模块IOB（Input/Output Blocks）
Ø 可编程内部互连资源PI（Programmable Interconnection）
随着工艺的进步和应用系统需求，一般在FPGA中还包含以下可选资源：
Ø 存储器资源（Block RAM和Select RAM）
Ø 数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟）
Ø I/O多电平标准兼容（Select I/O）
Ø 算数运算单元（乘法器、加法器）
Ø 特殊功能模块（MAC等硬IP核）
Ø 微处理器（PPC405等硬处理器）
以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：
Ø 向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进
Ø 向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展
Ø IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式
Ø MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心
随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro及其相关IP Core的推出，使我们有理由相信，可编程片上系统（System on Programmable Chip）的时代已经离我们不远了。
可编程片上系统（SOPC）的基本特征
可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：
Ø 至少包含一个嵌入式处理器内核
Ø 具有小容量片内高速RAM资源
Ø 丰富的IP Core资源可供选择
Ø 足够的片上可编程逻辑资源
Ø 处理器调试接口和FPGA编程接口
Ø 可能包含部分可编程模拟电路
Ø 单芯片、低功耗、微封装
SOPC 设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。
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