FPGA成本，性能和功耗的顯著改進(jìn)使得它們在越來越多的嵌入式系統(tǒng)中與微控制器一起贏得了一席之地。時(shí)間緊迫（甚至預(yù)算緊張）的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，最近的價(jià)格合理的中密度FPGA提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式來增強(qiáng)嵌入式MCU的功能。它們混合了可編程邏輯和高性能接口電路，用于在工業(yè)，商業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中添加定制I/O，網(wǎng)絡(luò)連接和智能外設(shè)（圖1）。與此同時(shí)，他們更大，功能更強(qiáng)大的兄弟們發(fā)現(xiàn)了與高性能成像，網(wǎng)絡(luò)或無線系統(tǒng)中算法加速器的外置處理器相同的應(yīng)用程序。在這些應(yīng)用中，智能設(shè)計(jì)人員正在使用可編程邏輯元件來獲得管理其產(chǎn)品線生命周期的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

圖1：醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的框圖說明了FPGA如何通過經(jīng)濟(jì)高效的高性能I/O擴(kuò)展，信號(hào)處理和算法加速功能來增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的主機(jī)處理器。 （由Altera公司提供）

在本文中，我們將探討MCU如何與FPGA合作，以改變嵌入式產(chǎn)品在嵌入式生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)層面的設(shè)計(jì)方式。

協(xié)同進(jìn)化

可編程邏輯器件（PLD）及其更密集，更快速的同類，現(xiàn)場可編程門陣列（FGA），在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，甚至在“嵌入式系統(tǒng)”一詞進(jìn)入之前工程詞典。早在16位處理器和64 Kbyte存儲(chǔ)器位于硅食物鏈頂端的時(shí)代，設(shè)計(jì)人員就依賴它們作為所謂的“膠合邏輯”來拼接CPU及其相關(guān)組件之間的定時(shí)和控制信號(hào)。 PLD甚至EPROM（還記得嗎？）也用于實(shí)現(xiàn)自定義解碼器和查找功能。然而，直到最近，大型FPGA才是相對(duì)耗電，昂貴的野獸，主要用于原型，以及高價(jià)，低產(chǎn)量的產(chǎn)品，或者作為從負(fù)擔(dān)過重的處理器卸載明確定義的計(jì)算密集型操作的快速方法。

隨著FPGA制造商將生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到越來越精細(xì)的亞微米工藝，這種情況發(fā)生了變化隨著器件邏輯密度的增加和功耗的降低，在大批量應(yīng)用中使用可編程解決方案變得越來越具有成本效益（圖2）。雖然在同一工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)FPGA中的特定功能仍然比同等的基于單元的專用單元設(shè)計(jì)更大，更慢，更耗電，但FPGA制造商迅速采用激進(jìn)的亞微米工藝節(jié)點(diǎn)使它們領(lǐng)先于大多數(shù)ASIC和ASSP。產(chǎn)品降低的功耗和每個(gè)元素的成本使它們能夠贏得新的應(yīng)用和更大的市場。

圖2：隨著FPGA超過亞微米級(jí)閾值，其更高的邏輯密度和更低的功耗開始使它們越來越適用于中到大批量應(yīng)用。 （由Xilinx提供。）

FPGA作為協(xié)處理器

嵌入式設(shè)計(jì)人員正在使用FPGA來增強(qiáng)MCU的處理能力或卸載FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)，增加DSP元件，加密硬件加速邏輯和糾錯(cuò)，以及其他特定于應(yīng)用程序的核心。即使是功能強(qiáng)大的基于ARM9的MCU，如飛思卡爾的Kinetis系列或恩智浦的LPC2/3系列，也需要外置DSP或基于FPGA的加速器來并行執(zhí)行矩陣處理，圖像/視頻壓縮或AES加密/解密和其他加密方案等任務(wù)。 。由于其性價(jià)比和可重配置性，F(xiàn)PGA現(xiàn)在常用于上/下轉(zhuǎn)換，模/解，包絡(luò)控制以及軟件定義無線電中的其他功能。

許多嵌入式汽車系統(tǒng)正在將FPGA用于信息娛樂和安全應(yīng)用，例如車道偏離警告系統(tǒng)。在車輛的組合娛樂和信息系統(tǒng)中，可編程邏輯可作為主處理器的配套，提供媒體處理，圖形加速和車輛網(wǎng)絡(luò)功能（圖3）。 FPGA還在車道偏離感應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過提供提取特征所需的高速圖像處理和雷達(dá)信號(hào)處理（例如道路上的線路，街道標(biāo)志等），該設(shè)備能夠精確定位車輛在高速公路上的位置。類似的算法用于確定其他車輛的位置/相對(duì)速度，然后將其用于駕駛員輔助功能（即制動(dòng)輔助，加速器管理和提供轉(zhuǎn)向建議）。 FPGA支持快速開發(fā)和推出這些先進(jìn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)過于新穎，發(fā)展太快，無法使用ASIC或ASSP進(jìn)行經(jīng)濟(jì)實(shí)施。

圖3：作為主處理器的配套產(chǎn)品，單個(gè)Spartan-6 FPGA支持音頻/視頻加速，圖形子系統(tǒng)和車輛網(wǎng)絡(luò)功能。 （由Xilinx提供。）

FPGA在醫(yī)療應(yīng)用方面有著悠久的歷史。作為最大的，Altera Stratix III和Xilinx Virtex-4/5器件用于處理由高分辨率CAT，MRI和PET成像器生成的大量原始數(shù)據(jù)。在這樣的醫(yī)療應(yīng)用中，F(xiàn)PGA也被用作高速A/D和D/A的前端，它們直接連接到傳感器和傳感器，以便通過寬而快速的PCIe Gen2總線進(jìn)行處理和傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)。但是，體積更小，成本更低的設(shè)備正在成為低成本便攜式成像儀（CT，內(nèi)窺鏡和超聲波）不可或缺的一部分，可以為農(nóng)村和城市診所以及新興經(jīng)濟(jì)體的醫(yī)療中心提供先進(jìn)的服務(wù)。這些應(yīng)用程序運(yùn)行高端設(shè)備中使用的算法的縮小版本，可以使用中檔，價(jià)值導(dǎo)向的FPGA實(shí)現(xiàn)，包括大量的DSP架構(gòu)，例如Altera的Arria Xilinx KINTEX系列。

I/O擴(kuò)展一直是嵌入式系統(tǒng)中FPGA最常見的應(yīng)用之一。盡管如此，增加專用元件使嵌入式設(shè)計(jì)人員更容易使用其主處理器的PCIe總線為其設(shè)計(jì)添加I/O和網(wǎng)絡(luò)功能的自定義組合。 FPGA的硬件功能模塊和可編程邏輯可用于實(shí)現(xiàn)PCie主機(jī)接口，以及為Texas Instruments Stellaris MCU添加千兆以太網(wǎng)，SATA，F(xiàn)ibreChannel或Infiniband網(wǎng)絡(luò)功能的連接（圖4）。其他FPGA資源可用于為其他常用的I/O連接（如USB，F(xiàn)ireWire，HDMI和DisplayPort）或?qū)Ｓ玫母咝阅芟到y(tǒng)互連（如CPRI/OBSAI）構(gòu)建連接。

圖4：高性能處理器的PCIe總線用作配置為I/O配套/擴(kuò)展設(shè)備的FPGA的接口。 （由Altera公司提供）

基于FPGA的I/O和內(nèi)存擴(kuò)展在擴(kuò)展功能和延長舊設(shè)計(jì)的使用壽命方面變得越來越流行，舊設(shè)計(jì)的主機(jī)處理器可能需要額外的處理能力或接口功能來滿足新的要求。除了剛才討論的I/O元件外，大多數(shù)FPGA系列還提供配備接口的變體，這些接口可配置用于大多數(shù)常見的DRAM/SRAM連接和獨(dú)立的DDR/QDR存儲(chǔ)器控制器元件。它們共同允許FPGA緩沖和管理流經(jīng)其I/O連接的數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)還允許設(shè)計(jì)人員調(diào)整他們的設(shè)計(jì)，以便在“遺留系統(tǒng)”中使用的舊的或更低成本的處理器能夠享受降低的BOM成本。這些系統(tǒng)能夠使用市場上最豐富的DDR2/3 RAM或利用DDR/QDR存儲(chǔ)器提供的更高性能。

下一步：板載MCU

由于FPGA在越來越多的中高容量市場中與ASSP和ASIC競爭套接字空間，制造商推出了硬連線處理器內(nèi)核提供的新系列設(shè)備更高的性能甚至更低的TCO。在許多情況下，這些所謂的SoC FPGA可用于特定應(yīng)用的邏輯元件，處理器，存儲(chǔ)器和相關(guān)硬件核心的組合。例如，Microsemi的SmartFusion器件將其非易失性混合信號(hào)FPGA技術(shù)與ARM Cortex-3 32位RISC處理器配對(duì)（圖5）。 SmartFusion A2F200中的精密模擬溫度，電流，電壓和溫度傳感元件，PWM引擎和其他實(shí)際接口可配置為在工業(yè)，汽車和航空航天系統(tǒng)中提供多軸電機(jī)控制。

圖5：Microsemi的SmartFusion系列將ARM Cortex-3處理器添加到Fusion的混合信號(hào)FPGA架構(gòu)中。 （由Microsemi SoC Products Group提供。）

進(jìn)一步提升性能范圍，Xilinx最近推出的Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)配備了ARM Cortex A9高性能RISC處理器（圖6）。 Cortex A9具有高效率，動(dòng)態(tài)長度，多發(fā)超標(biāo)量，無序，推測的8級(jí)流水線。它可作為單核或可配置多核元件提供，其處理能力可針對(duì)各種智能視頻，通信和控制應(yīng)用進(jìn)行定制。如果需要額外的處理器，可以使用Zynq的可編程邏輯構(gòu)建8位PicoBlaze或32位MicroBlaze處理器的軟核。

圖6：Xilinx的Zynq-7000系列FPGA SoC將功能強(qiáng)大的Cortex A-9處理器與高性能可編程邏輯和專用外設(shè)核心混合在一起。 （由Xilinx提供。）

Altera最新的FPGA SoC也基于A9處理器的幾個(gè)產(chǎn)品系列，包括價(jià)值導(dǎo)向的Cyclone V GX系列。針對(duì)生產(chǎn)量適中且I/O密度高的工業(yè)和汽車應(yīng)用，Cyclone器件配備單核A9，25k可編程邏輯元件和各種外圍核心，批量定價(jià)低至15美元。由于Cyclone SoC產(chǎn)品還集成了以太網(wǎng)，CAN控制器，DSP（用于電機(jī)控制）和其他I/O，因此它們在傳統(tǒng)的多芯片解決方案中具有很強(qiáng)的競爭力。

Altera還創(chuàng)建了其性能導(dǎo)向的Arria V系列的幾個(gè)成員，這些成員配備了單核和多核A9處理器，旨在降低汽車，工廠自動(dòng)化和視頻處理應(yīng)用中現(xiàn)有設(shè)計(jì)的成本。由于大多數(shù)無線系統(tǒng)已經(jīng)基于ARM Cortex-A9，因此Altera和Xilinx的A9配備的FPGA SoC正在幫助降低基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的成本和功耗，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員將其用于基帶處理，遠(yuǎn)程上/下處理，和數(shù)字和預(yù)失真/包絡(luò)控制。結(jié)果