MSS+ACE+FPGA=灵活的控制系统

爱特公司(Actel) 日前推出了世界首个智能型混合信号FPGA器件SmartFusion并已投入批量生产。SmartFusion的FPGA架构包括基于ARM Cortex-M3硬核处理器的完整微控制器子系统（MSS），以及可编程Flash模拟模块（ACE）。SmartFusion器件能让嵌入式产品设计人员使用单芯片便能轻易构建所需要的系统，获得全部所需功能，而且无需牺牲产品性能。

　　

　　SmartFusion提供了构建高度灵活的smartgrid传感器所需的资源，并具有更大的灵活性和更小的封装尺寸。片上集成嵌入式ARM处理器，意味着ARM Cortex-M3处理器在广泛的应用中的快速发展，SmartFusion的用户不但能体验Cortex-M3处理器业界领先的高效能与低功耗优势，还能通过ARM的600多家合作伙伴，取得用于优化ARM架构的各种工具、软件和中间件。

　　SmartFusion系列结合了逻辑、微控制器子系统和模拟三个可编程模块，实现易于使用的完全可定制系统设计平台，让嵌入式应用设计人员现在无需进行线路板级改变，就能够快速优化硬件/软件折衷权衡。在SmartFusion器件内，所有数据都会从处理器传送到FPGA，或从模拟模块传送到处理器，或在FPGA和片上模拟模块之间传送。而爱特的FlashLock技术也提供了出色的IP安全水平。

　　Actel亚太区总经理赖炫州表示，爱特的产品将沿着Flash+FusionFPGA+可编程模拟模块的平台不断发展下去，低功耗则是爱特产品的核心价值，这一点已通过爱特公司在LOGO中增加“Power MATTERS”得以强调。“我们的设计工具增加了针对功耗优化的选项，让设计工程师根据需要来对性能和功耗进行平衡；又如在硬件设计中，我们可以对 Flash进行开关控制设计，优化芯片的动态功耗。”

　　在工业、军用、医疗、电信、计算和存储市场领域的应用中，当需要选择协处理或接口定制时，SmartFusion器件非常合适，如马达控制、系统和功率管理和工业自动化等。从这一点看，SmartFusion的目标市场将与32位MCU直接竞争，赖炫州认为对于那些需要将更多外部IP进行片上整合、更多的系统设计弹性、更低功耗以及更高保密性的高阶客户而言，SmartFusion是更好的选择，此外，就价格（市场规模）、产品生命周期和库存管理成本而言，供应商越少越好。“我们的设计工具提供了丰富的逻辑选项来帮助工程师定义产品，加上对ARM等处理器内核的支持，MCU设计者也很容易的移植他们的设计。我们从去年9月就同客户一起针对不同应用进行方案的开发，到目前芯片正式量产，所有开发工具（图形化）、评估板都已配套。”

　　SmartFusion器件采用130nm工艺，赖炫州认为，虽然FPGA工艺节点现在已经演进到40nm甚至是22nm了，但就硅材料工艺而言，130nm是性能和功耗平衡的最佳节点，毕竟漏电问题带来的功耗上的挑战一直是深亚微米所面临的重要课题。“我们也将研发更多深亚微米的产品，但对功耗和性能的平衡一直是我们首要考虑的，也因此，Actel的产品一直关注在那些不需要太多复杂逻辑而是需要更多功能整合的应用领域。”

　　产品解析

　　SmartFusion器件是由爱特于2005年推出的首个Fusion混合信号FPGA演进而来，Fusion是基于ARM M1的软核，SmartFusion则是M3硬核，赖炫州表示，新器件的升级在性能、价格（硬核使芯片更小）和设计弹性（更多模拟模块）三个方面将给予 Fusion用户更多的新的体验。

　　瞄准现今复杂的嵌入式设计而开发。该器件的主要组件包括:

　　功能齐全的FPGA：

　　SmartFusion器件具有爱特经过验证的基于快闪技术的ProASIC 3 FPGA架构，使用先进的130-nm CMOS工艺，系统门密度范围为60K至500K，并具有350 MHz工作频率和最多204个I/O。这种组合能够集成来自其它器件的现有功能，大幅减少线路板空间和总体系统的功耗。

　　微控制器子系统：

　　

　　器件的智能性是以微控制器子系统的形式加入FPGA的，子系统带有100 MHz 工作频率的ARM Cortex-M3处理器硬核，全部标准外设和功能包括:

　　•多层AHB通信矩阵，吞吐率高达16 Gbps

　　•带有RMII 接口的10/100以太网MAC

　　•SPI、I2C、UART、32位定时器(各有两个)

　　•最高512 KB闪存和64 KB SRAM

　　•外部存储器控制器(External memory controller, EMC)

　　•8通道DMA控制器

　　可编程模拟模块：

　　

　　可编程模拟系统包括: 精度为1%的ADC和DAC、多达三个采样频率
为600 Ksps的12位ADC、最多三个12位第一阶(first order) sigma delta DAC、最多10个50 ns高速比较器、集成多种温度和电压和电流监控功能。赖炫州表示，创新性专有模拟计算引擎(Analog Compute Engine, ACE) 能执行采样排序和计算，能够分担ARM Cortex-M3处理器的模拟初始化和处理任务，

早期客户项目

　　爱特自2009年9月以来，已通过正式的客户评估计划，接洽全球各地的客户，提供SmartFusion样品器件。在这六个月的时间内，众多应用(从服务器、路由器及工业网络网关到太阳能电池板逆变器和游戏设备) 的设计人员已通过这计划，在市场推出日期前体验到相关的软件和芯片的功能。

　　立即开始设计

　　SmartFusion系列已获得Libero集成设计环境(IDE) v9.0支持。Libero是用于所有Actel FPGA器件设计的全面的软件工具集，而最新版本Libero IDE v9.0现已能够在爱特网站www.actel.com免费下载。

　　Libero IDE包含来自Synopsys 和Mentor Graphics公司的行业领先的综合、仿真和调试工具，以及创新的定时和功率优化及分析工具。另外，爱特也为嵌入式产品设计人员提供带有免费的基于SoftConsole Eclipse的 IDE连同GNU，以及来自Keil 和IAR Systems公司的软件评测版本。完全版的工具可从各个供应商处获取。而Micrium公司同时也提供支持 SmartFusion器件的全新实时操作系统(RTOS) μC/OS-III、TCP/IP堆栈和μC/Probe产品。

　　关于SmartFusion的一些问题

　　1.对爱特以至整个FPGA市场，SmartFusion的发布有什么重要意义呢？SmartFusion智能混合信号 FPGA 的推出，显著提升了爱特公司在嵌入市场的竞争能力，使爱特得以涉足FPGA先前所不能实现的设计。另外，SmartFusion也是爱特拓展和创建自身市场的战略的一部分。

　　对于FPGA市场来说，这是一项重要的创新技术，因为FPGA首次嵌入了一个完整的微控制器子系统 (microcontroller subsystem, MSS)，系统包括所有处理器外设和可编程模拟模块，实现了真正的单芯片系统，能够满足设计人员自行创建与众不同的嵌入式方案的全部需求。

　　2.SmartFusion 器件的推出，是否意味着爱特将改变业务模式？

　　SmartFusion的推出，确认了爱特公司扩展市场，实施与其它FPGA供应商差异化道路的战略。SmartFusion集爱特的核心竞争力和已有产品线之大成，标志着在系统中集成关键组件的全新水平。从产品发展路线图来看，第一步是ProASIC® 技术，向市场推出基于快闪的FPGA器件；第二步是Fusion，这是首款将混合信号知识产权 (IP) 和FPGA架构相结合的器件，它还包括软件32位ARM Cortex-M1处理器和可编程模拟构件，构成了SmartFusion的前身。而下一个合理步骤自然是集成了硬件ARM Cortex-M3处理器的SmartFusion。

　　3.SmartFusion 器件所采用的工艺技术为何？

　　SmartFusion是基于爱特已经被验证的先进130-nm 七层金属快闪CMOS工艺技术制造，生产工艺与Fusion相同。

　　4.SmartFusion 系列的主要特点和功能是什么？

　　SmartFusion器件的主要特点和功能如下：

　　功能齐全的FPGA

　　SmartFusion器件具有爱特公司经验证、基于快闪技术的 ProASIC3 FPGA架构，使用先进的130-nm CMOS工艺，系统门密度范围为60K至500K，具有350 MHz工作频率和最多204个I/O。这种组合能够集成来自其它器件的现有功能，大幅减少线路板空间和总体系统的功耗。

　　微控制器子系统

　　这个FPGA的智能来自于微控制器子系统。该子系统带有工作频率为100 MHz 的ARM Cortex-M3硬核处理器，全部标准外设和功能包括：

　　多层AHB通信矩阵，吞吐量高达16 Gbps

　　带有RMII 接口的10/100以太网MAC

　　SPI、I2C、UART、32位定时器 (各两个)

　　最高512 KB闪存和64 KB SRAM

　　外部存储器控制器 (EMC)

　　8通道DMA控制器

　　可编程模拟模块

　　创新性的专有模拟计算引擎 (Analog Compute Engine, ACE) 负责执行采样排序和计算，从而分担了ARM Cortex-M3处理器中的模拟初始化和处理任务。可编程模拟系统包括：

　　精度为1%的 ADC 和 DAC

最多三个采样频率为 600 Ksps 的12位ADC

　　

　　最多三个12位第一阶 (first order) sigma delta DAC

　　最多10个 50 ns 高速比较器

　　集成多种温度、电压和电流监控功能

　　5.SmartFusion 系列包括哪些产品？

　　目前，SmartFusion系列有三款器件，系统门密度范围从60K到500K，每款器件都带有基于硬件ARM Cortex-M3处理器的微控制器子系统、模拟前端 (AFE) 和模拟计算引擎(ACE)。 6.SmartFusion 器件主要针对哪些应用和终端市场？由于SmartFusion和Fusion产品具有完全可编程特性，因此可以在多种应用中大显身手。以下是三种能够通过采用SmartFusion而获得增值的应用实例：

　　马达控制

　　使用单一芯片，实现多个马达的精密及高性能有源控制

　　管理功率、方向、速度、转矩，并防止出现过载或故障

　　利用FPGA执行超高速闭环算法，同时使用Cortex-M3进行其它管理

　　马达控制开发工具套件带有5种参考设计，可用于演示和台式 (bench-top) 产品开发

　　工业自动化

　　利用FPGA架构的丰富外设和灵活性，轻易实现工业用网络和桥接功能

　　使用可编程模拟单元进行传感任务，并以微控制器加FPGA用于控制任务 (网关、激励器、I/O等)

　　SmartFusion开发工具套件支持以太网、EtherCAT、CAN、UART、I2C和SPI

　　在FPGA和Cortex-M3中实现Modbus®、PROFIBUS、WorldFIP、P-Net等接口标准

　　系统管理

　　通过添加系统内诊断和预测功能，延长系统的正常工作时间、提高系统的可靠性

　　管理电压、电流、温度等所有系统变量，记录数据并设定告警

　　混合信号功率管理工具 (MPM) 参考设计提供完备的功率管理功能

　　爱特公司子公司 PigeonPoint Systems提供全面的TCA/ATCA系统硬件平台管理功能

　　7.SmartFusion 如何改变FPGA在嵌入式系统设计中的角色？

　　过去，嵌入式系统的设计人员一向以MCU加ASSP的组合作为解决方案。SmartFusion通过集成MCU、模拟外设、嵌入快闪和真正的单芯片可编程逻辑，让系统设计人员可以实现先前仅有定制解决方案才能达到的集成水平。SmartFusion器件中的FPGA架构能够让系统设计人员在其产品中实现真正的差异化，而无需使用定制解决方案。更重要的是，SmartFusion器件能提升系统运作的效率。由于ARM Cortex-M3处理器是与FPGA架构分开的标准嵌入式单元，所以两者可以独立运作。因此，设计人员可以在不影响处理器运作的情况下重新对FPGA架构进行编程，在需要时更新用户逻辑的功能性，同时由处理器处理关键的系统功能。相反地，在更新处理器固件时，用户逻辑也可以继续运作。设计人员利用这种灵活的可编程性，将能够开发出真正的差异化产品。8.现时有哪些客户已经与爱特接洽呢？

　　爱特公司自2009年9月提供SmartFusion器件样品以来，已通过正式的主要客户体验计划，接洽全球各地的客户。在过去六个月，已经有众多应用 (从服务器、路由器及工业用网络网关到太阳能电池板逆变器和游戏设备) 的设计人员在产品推出市场前率先体验到相关软件和芯片的功能。   9.SmartFusion 器件会在何时供货？爱特公司已经在2009年9月开始供应SmartFusion器件样品，现在正进行量产。要了解详细供货信息，请联络本地的爱特公司销售处或分销商。

　　10.Fusion和SmartFusion 产品系列的主要有什么区别？

　　虽然这两个产品系列均使用相同的FPGA架构，但它们有以下的主要差异：

　　SmartFusion器件集成了硬件ARM Cortex-M3处理器；而Fusion集成的是软件ARM Cortex-M1内核。硬件处理器能够增强处理器的性能，同时减轻FPGA的负担。

　　SmartFusion增加了第一阶 (first-order) sigma-delta数模转换器 (SDD)、信号调节模块 (SCB)，以及功能增强的电流监控器和高速比较器，因此具有比Fusion更强的模拟前端 (AFE)。这些额外的功能性能够使设计达到更高的集成水平。

　　SmartFusion器件增加了一个ACE，可以分担处理器的AFE控制任务，在不占用FPGA资源的情况下提高总体系统性能。

　　11.使用Fusion的设计可以直接移植到SmartFusion吗？

　　由于SmartFusion具有可编程系统级芯片 (SoC) 的特点，所以把设计从Fusion移植到SmartFusion的操作不是按一按键就能完成的。不过，爱特已经为SmartFusion三个主要部分提供移植途径：

　　逻辑部分 – 由于两个系列都建立在ProASIC3架构上，故可直接导出设计的逻辑部分。

　　微控制器 – 因为Fusion的Cortex-M1(ARM Thumb指令集) 能够向上兼容SmartFusion的Cortex-M3 (ARM Thumb-2指令集)，所以代码可以方便地被移植和重新编译，并用于Cortex-M3处理器上，而Cortex-M3中新增的指令也能提升应用的性能。

　　混合信号 – 由于SmartFusion及其模拟控制引擎的能力大幅提高，在Fusion中完成的模拟设计将因着架构重建而获得提升。

　　12.现在有哪些设计软件支持SmartFusion产品系列呢？

　　SmartFusion应用的设计包括三个方面：逻辑、MCU和混合信号。Actel Libero集成设计环境 (IDE) 可为逻辑设计提供全面的支持，Libero IDE是一款全面的软件工具套件，管理从设计输入、综合和仿真直到布局布线、定时和功率分析的整个设计流程。

　　设计人员可以使用爱特针对SoC系统的新一代模块化设计创建工具SmartDesign (包含在Libero IDE内) 来处理设计的系统级芯片 (SoC) 部分 (MCU和外设配置，以及至整个架构的接口)。而爱特也同时提供名为SoftConsole的Eclipse集成设计环境(IDE)，其中包含了GNU C/C++编译器。此外，爱特还提供来自Keil和IAR Systems公司的评测版软件，而用户可从供应商处获取软件完整版本。

　　爱特提供的图形配置器 (包含在Libero IDE工具内) 可用于处理设计中混合信号部分的初始配置，在运行时，该工具将提供简单的C语言驱动器来与ACE通信，并利用所有的模拟模块。

　　13.现时有什么RTOS 或中间件组件是适用于SmartFusion 器件呢？

　　目前Micrium 已经提供 µC/OS-II 和III 支持，而我们正计划支持额外RTOS方案。

　　14.现时FPGA 架构有什么可用的IP 呢？

　　爱特公司提供50多种DirectCore IP (由爱特公司直接提供)，其中大部分是免费的。此外，透过爱特公司强大的第三方IP合作伙伴，SmartFusion客户可以使用140多种 CompanionCore。

　　15.爱特会否继续支持基于Cortex-M1 的处理器呢？

　　一直以来，爱特公司都以对旗下产品提供长期支持而著称，我们并没有打算放弃对基于Cortex-M1处理器产品 (包括ProASIC3、IGLOO和Fusion) 提供的支持。

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