Nexar2004將加速FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)

2013-11-06 16:07 來源:電子信息網(wǎng) 作者:鈴鐺

可編程邏輯技術(shù)目前已經(jīng)能與ASIC(專用集成電路)和ASSP(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)爭奪市場,并逐漸呈現(xiàn)出取代ASIC和ASSP的趨勢,這極大程度上是因?yàn)?u>FPGA技術(shù)的發(fā)展。FPGA產(chǎn)品在邏輯密度、性能和功能上有了極大的提高,同時(shí)器件成本也大幅下降。

70年代人們已經(jīng)開始使用ASIC,但ASIC也帶來一些問題,隨著深亞微米ASIC掩模的成本接近50萬美元,設(shè)計(jì)人員不得不重新評估定制的固定邏輯器件高昂的、不可再利用的工程成本。比如要不斷對ASIC進(jìn)行修正,有的問題需要3~4次的再設(shè)計(jì)才能解決,這影響了了上市時(shí)間;而且一旦你的產(chǎn)品或技術(shù)需要升級時(shí),又要進(jìn)行調(diào)整。如果把整個(gè)ASIC設(shè)計(jì)改變或修訂的話,成本相當(dāng)于5萬美元。許多產(chǎn)品工程師發(fā)現(xiàn),ASIC只有在產(chǎn)量或銷售達(dá)到一定規(guī)模,才能平衡前期的投資。

正是基于這樣的考慮,越來越多的設(shè)計(jì)人員開始采用FPGA。FPGA是可重新編程的,在把最初的設(shè)計(jì)下載到FPGA之后,如果發(fā)現(xiàn)芯片存在設(shè)計(jì)缺陷,即可在幾小時(shí)內(nèi)改動設(shè)計(jì)和重新編程FPGA,并且不需要額外的經(jīng)費(fèi)。對于采用FPGA技術(shù)的設(shè)計(jì)工程師來講,這是一項(xiàng)極重要的優(yōu)點(diǎn)。

在FPGA越來越被廣泛使用的同時(shí),在設(shè)計(jì)中同樣存在著一些問題。目前,市場上占有較大份額的FPGA廠商比如Xilinx,Altera和Actel等公司,他們都有自己的開發(fā)工具和平臺,像ISE、Quartus等等。在設(shè)計(jì)過程中,當(dāng)用戶從一個(gè)廠商的產(chǎn)品轉(zhuǎn)到另一個(gè)廠商的產(chǎn)品時(shí),他們需要花大量的時(shí)間來學(xué)習(xí)新的開發(fā)工具,即使改變同一廠商的不同型號的產(chǎn)品,仍需更換開發(fā)平臺才行。所有這些都為我們的設(shè)計(jì)帶來了很多的麻煩。

Altium公司的新產(chǎn)品Nexar 2004解決了上述問題,Nexar為在FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案。它能夠進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。另外,和Nexar一起推出的還有一個(gè)開發(fā)板—NanoBoard,NanoBoard以板上可重新配置的FPGA子板為主要特色,通過簡單的插拔FPGA子板,用戶就可以隨意的更換不同廠商或同一廠商不同型號的FPGA產(chǎn)品,而無需改變開發(fā)工具和平臺。目前,Nexar支持的FPGA包括:Altera :Cyclone、 StratixTM;Xilinx:SpartanIIE、 VirtexTM II、 Spartan III;將要包括Actel ProASICplusTM 。NanoBoard上包含豐富的接口和外圍設(shè)備,如CAN接口,RS232,VGA接口,I2C接口,PS2,小鍵盤,LCD等等,用戶可以根據(jù)需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后,將設(shè)計(jì)下載到NanoBoard上的FPGA當(dāng)中進(jìn)行實(shí)際執(zhí)行,從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

利用NanoBoard ,F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工程師能在很短的時(shí)間內(nèi)找到設(shè)計(jì)的缺陷,而仿真會花數(shù)日、數(shù)周、甚至數(shù)月的時(shí)間才能完成。當(dāng)在電路中測量FPGA時(shí),邏輯分析儀是關(guān)鍵角色,通過實(shí)時(shí)測量提供FPGA行為至關(guān)重要的信息。但是隨著FPGA所包容的邏輯量越來越多越來越復(fù)雜,需要在板上預(yù)留很多測試端口,顯然這是不可能的。Nexar IP 庫中含有大量的虛擬儀器,這些儀器都設(shè)計(jì)成IP元件的形式,其中最突出的是邏輯分析儀,在使用時(shí)只是在原理圖中將它連接在需要測試的總線上即可,設(shè)計(jì)一旦下載到FPGA中,就可以從外部控制虛擬儀器。從而免去了大量的實(shí)際連接工作。

除了FPGA以外我們還需要MCU才能完成一個(gè)完整的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計(jì),F(xiàn)PGA和MCU都是作為分立元件出現(xiàn)的,這使我們對產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或者是在功能上進(jìn)行更新時(shí)變得十分困難,往往都會面臨著重新制板,從而延誤了產(chǎn)品上市的時(shí)間。另外。8位的MCU在國內(nèi)流行了二十幾年,直到現(xiàn)在還有非常廣闊的市場,主要應(yīng)用于工業(yè)控制,汽車電子。白色家電等領(lǐng)域。

利用8位MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)也存在很多問題。目前,市場上8位MCU產(chǎn)品包含了40多家供應(yīng)商所提供的近1,300種器件。一套8位開發(fā)工具套件通常包括編譯器與仿真器,價(jià)格約4,000美元。一些情況下,工程師可以以很低的價(jià)格獲得這種開發(fā)套件,但是很少有免費(fèi)的編譯器可用,而且?guī)缀跛械?位器件均要求有專用仿真器。通常采用幾種基于單一架構(gòu)的衍生器件就需要使用幾種仿真器。

MCU核的特點(diǎn)是量體裁衣,能夠讓用戶充分發(fā)揮創(chuàng)造力與想象力來開發(fā)他們所需要的應(yīng)用。目前,Nexar包含三種體系架構(gòu)的MCU核,PIC165x,8位RISC ;8051,準(zhǔn)哈佛結(jié)構(gòu);Z80,經(jīng)典馮.諾一曼結(jié)構(gòu)。用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展核的功能,也可以進(jìn)行多核的設(shè)計(jì)。并且,Nexar集成了Tasking編譯技術(shù),能夠針對每種MCU核提供相應(yīng)的編譯器。

另外,更先進(jìn)的應(yīng)用正在推動設(shè)計(jì)界從8位處理器向32位過渡。同樣,Nexar也即將支持Xilinx的32位處理器內(nèi)核PPC405以及Altium自主知識產(chǎn)權(quán)的32位RISC處理器內(nèi)核TSK3000( 完全兼容MIPS R3000系列),其采用RISC構(gòu)架和哈佛結(jié)構(gòu)的獨(dú)立32位指令和數(shù)據(jù)總線。在軟件無線電等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,一般采用“微處理器+協(xié)處理器”結(jié)構(gòu),處理器一般使用通用DSP,主要完成系統(tǒng)通信和基帶處理等工作;協(xié)處理器用FPGA實(shí)現(xiàn),主要完成同步和預(yù)處理等底層算法的運(yùn)算任務(wù)。利用IP來代替DSP,從而能在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),這樣不僅能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),還能提高系統(tǒng)的性能。

Altium公司的Nexar2004既能進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計(jì),同時(shí)又能進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)。利用NanoBoard,用戶能夠現(xiàn)場驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性,在驗(yàn)證期間,可以利用Nexar庫里自帶的虛擬儀器進(jìn)行測量,可以利用虛擬邏輯分析儀來獲取設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。這樣,用戶能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)與調(diào)試,而無需更換設(shè)計(jì)工具與平臺。

基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終要轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,用戶最終會把設(shè)計(jì)運(yùn)行在產(chǎn)品板上,隨著系統(tǒng)復(fù)雜度及FPGA引腳的數(shù)量的增加,使得FPGA到PCB轉(zhuǎn)換的過程中要面臨很多問題。其中之一就是要反復(fù)的改變引腳配置才能夠較好的完成板級設(shè)計(jì)。Altium公司的另一產(chǎn)品Protel2004就是一個(gè)板級的設(shè)計(jì)工具,Protel2004和Nexar2004能夠無縫的結(jié)合在一起,在設(shè)計(jì)的過程中,能夠?qū)PGA設(shè)計(jì)輕松的轉(zhuǎn)換為PCB設(shè)計(jì)所需的文件。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)過程中,系統(tǒng)能夠根據(jù)最佳的布線路徑對FPGA引腳進(jìn)行自動優(yōu)化,最后將改變后的引腳信息回注到FPGA設(shè)計(jì)當(dāng)中;反之,在FPGA設(shè)計(jì)時(shí),能將重新約束好的引腳信息同步到PCB設(shè)計(jì)當(dāng)中。最終能夠使FPGA設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)保持一致。目前,能夠做到FPGA和PCB設(shè)計(jì)完美結(jié)合的EDA開發(fā)廠商寥寥無幾。

Nexar 2004在使用上非常簡單,運(yùn)用近似于電路板級的設(shè)計(jì)方法就能輕松掌握。Nexar2004將會為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到積極的推動作用!

FPGA Nexar2004

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