本文以汽車電子的可編程邏輯基礎(chǔ)知識、FPGA 架構(gòu)、FPGA 實現(xiàn)技術(shù)、處理器內(nèi)核、SoPC 優(yōu)勢和處理器靈活性為例進(jìn)行了簡要討論。

大型可編程邏輯器件，如現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)，自從幾十年前作為膠合邏輯的替代品和 ASIC 原型器件首次推出以來，其功能迅速發(fā)展。嵌入式加速器和微處理器使它們成為許多曾經(jīng)被認(rèn)為是 DSP 和 ASSP 專屬領(lǐng)域的應(yīng)用的有力候選者。一旦設(shè)計人員了解了 FPGA 和 CPLD 架構(gòu)的基礎(chǔ)知識，他們就可以提高許多設(shè)計的性能、效率和設(shè)計周期。

可編程邏輯在其在 FPGA 和 CPLD 中達(dá)到最先進(jìn)的形式之前有很長的發(fā)展歷史。這兩種技術(shù)在架構(gòu)上的差異是由名稱本身來表示的。FPGA 的結(jié)構(gòu)非常類似于門陣列 ASIC，事實上，最初用于 ASIC 原型設(shè)計。CPLD 是一個可編程邏輯元件網(wǎng)絡(luò)，這些元件連接起來可以創(chuàng)建一個更大的系統(tǒng)。

可編程邏輯基礎(chǔ)

通過回顧可編程陣列邏輯 (PAL) 的特性，可以快速了解 FPGA 和 CPLD 的基本配置思想，該特性始于一個用于對輸入進(jìn)行與運算的廣泛的可編程與平面。OR 平面是固定的，這限制了可以進(jìn)行 OR 運算的項數(shù)。添加了基本邏輯設(shè)備，如多路復(fù)用器、異或和鎖存器，還包括時鐘元件，如觸發(fā)器。

電路元件的這種組合使設(shè)計者能夠?qū)崿F(xiàn)大量邏輯功能，包括狀態(tài)機所需的時鐘時序邏輯。PAL 是速度非?？斓脑O(shè)備，它取代了上一代設(shè)計中的大部分標(biāo)準(zhǔn)邏輯。圖 1 顯示了一個基本的 PAL，其中可編程元件（顯示為熔絲）將真輸入和互補輸入都連接到與門。AND 門，也稱為乘積項，它們被 OR 運算在一起以形成乘積和邏輯陣列。

簡化 PAL

CPLD 和 FPGA 在 PAL 和 ASIC 門陣列之間創(chuàng)建了一個愉快且可擴(kuò)展的媒介。CPLD 與 PAL 一樣快，但更復(fù)雜。FPGA 接近門陣列的復(fù)雜性并且是可編程的。

CPLD 架構(gòu)

盡管每個 CPLD 供應(yīng)商都有其獨特的實現(xiàn)方式，但所有 CPLD 都具有由功能塊 (FB)、輸入/輸出塊 (I/O) 和互連矩陣組成的共同特征。CPLD 使用特定于制造商技術(shù)的元素進(jìn)行編程。存儲器件可以是 EPROM 單元、EEPROM 單元或閃存 EPROM 單元。圖 2 顯示了典型 CPLD 的架構(gòu)。

簡化的 CPLD 架構(gòu)

FPGA架構(gòu)

FPGA 架構(gòu)與 ASIC 相似，但與 CPLD 完全不同。通用 FPGA 架構(gòu)由一組可配置邏輯塊 (CLB)、I/O 焊盤和可編程互連組成，如圖 3 所示。添加時鐘電路以將時鐘信號驅(qū)動到每個邏輯塊。算術(shù)邏輯單元、存儲器和解碼器也是典型的元件。

基本FPGA架構(gòu)

FPGA 邏輯包含在 CLB 中，其中包含用于創(chuàng)建組合邏輯功能的 RAM，也稱為查找表 (LUT)。它還包含用于時鐘存儲元件的觸發(fā)器，以及用于在塊內(nèi)和外部資源之間路由邏輯的多路復(fù)用器。多路復(fù)用器還用于極性選擇和復(fù)位和清除輸入選擇。

FPGA 實現(xiàn)技術(shù)

FPGA 傳統(tǒng)上是根據(jù)用于存儲 FPGA 邏輯配置的存儲器技術(shù)來描述的。目前使用的有四種，每種都有其優(yōu)點和缺點：基于 SRAM 的 FPGA、帶有內(nèi)部閃存的 SRAM、基于閃存的和反熔絲（也稱為 OTP，因為它們是一次性可編程的）。

基于 SRAM 的 FPGA 將邏輯單元配置存儲在組織為鎖存器陣列的靜態(tài)存儲器中。由于 SRAM 是易失性的，因此每次系統(tǒng)啟動時都必須對此類 FPGA 進(jìn)行編程。有兩種基本的編程模式：

主模式，即 FPGA 從外部源（例如外部閃存芯片）讀取配置數(shù)據(jù)。

Slave 模式，F(xiàn)PGA 由外部主設(shè)備（例如處理器）進(jìn)行配置。通常，這是通過專用配置接口或使用邊界掃描 (JTAG) 接口完成的。

帶有內(nèi)部閃存的基于 SRAM 的 FPGA 包含內(nèi)部閃存塊，無需外部非易失性存儲器。

真正基于閃存的 FPGA 使用閃存作為配置存儲的主要資源，因此不需要外部非易失性存儲器。與基于 SRAM 的 FPGA 相比，該技術(shù)的功耗更低，并且更能容忍輻射的影響。

基于反熔絲 (OTP) 的 FPGA 與前面提到的技術(shù)不同，因為它們只能編程一次。（反熔絲裝置最初不傳導(dǎo)電流，但可以燒毀到傳導(dǎo)狀態(tài)。）

處理器核心

盡管可編程器件最初是作為膠合邏輯替代品開發(fā)的，但隨著門密度的增加，F(xiàn)PGA 和 CPLD 供應(yīng)商開始添加具有專用功能的電路，以補充未分配的門和邏輯功能。結(jié)果被稱為可編程芯片上的系統(tǒng) (SoPC)，其中由處理器等復(fù)雜設(shè)備組成的整個系統(tǒng)被集成到單個可編程邏輯設(shè)備中。

今天，大多數(shù) FPGA 和 CPLD 供應(yīng)商提供的產(chǎn)品系列提供 MCU 和其他 IP 核的功能。使用內(nèi)核使系統(tǒng)設(shè)計人員可以訪問熟悉的開發(fā)工具集、操作系統(tǒng)和可選擇的性能以適應(yīng)應(yīng)用程序。

芯片優(yōu)勢

考慮使用包含 MCU 功能的 SoPC 有幾個令人信服的理由。首先是認(rèn)識到使用專用 MCU 的隱性成本。例如，如果部件沒有正確的功能組合，則必須開發(fā)外部邏輯和軟件來填補功能漏洞。雖然 MCU 供應(yīng)商提供具有特殊功能的設(shè)備以適應(yīng)特定應(yīng)用，但這些芯片并未考慮可能需要（例如，在很短的時間內(nèi)需要新接口或外設(shè)）的動態(tài)市場條件。

示例：汽車電子的處理器靈活性

汽車對集成 MCU 有著無限的需求。每個主要系統(tǒng)——發(fā)動機控制、制動、底盤和娛樂系統(tǒng)，僅舉三個——至少有一個。傳統(tǒng)上，需求是通過特定于應(yīng)用程序的 MCU 來滿足的，但隨著應(yīng)用程序（和 MCU 變體）數(shù)量的增加，這種策略受到質(zhì)疑。汽車制造商正在尋找更靈活、更易于定制的解決方案，在某些情況下，F(xiàn)PGA 就是答案。

編輯：hfy