直面FPGA在嵌入式测试系统中的设计挑战

1、直面fpga在嵌入式测试系统中的设计挑战售票设备，牢靠性和平安将是主要考虑因素。固然，用户界面在上述两种系统中都是主要组成部分，但也有许多嵌入式系统还必需和传感器和执行器相连，这些系统要求对实际的激励做出快速反应并生成复杂输出模式作为响应，完成这些动作需要处理引擎和系统输入输出端口紧密结合。让我们来看一下嵌入式系统和外界举行沟通的方式。掌上计算器具有十分容易的用户界面，包括键盘和，它不需要与传感器或通讯衔接的接口。而对于一个汽车引擎控制单元，它虽然没实用户界面，但是需要与传感器和执行器举行通信，而且车辆网络总线也是很重要的部分。当汽车举行修理保养时，技术人员会用法一种设备作为汽车的用户界面，对

2、大多数需要这种功能的现代嵌入式系统，用户界面往往像这样通过在设备上增强一个以太网端口，然后运行web服务器作为嵌入式系统功能的一部分来实现。路由器就是这样一种设备，通常以“傻瓜”方式运行，但可通过一个web扫瞄器对其举行配置。可以挑选多种办法和器件将智能化功能加入系统中，并且可将这些办法和器件举行混合配对以便以最佳方式达到设计要求。最灵便的平台类型是将微处理器和操作系统结合起来，这种架构可以实行单板机带实时操作系统(rtos)内核的形式，比如在atm机或自动售货机中。更复杂的系统则嵌入一个完整的pc，上面运行windows或其它操作系统，这样做可以利用现成的网络接口功能衔接到标准打印机上。对于

3、有的系统而言，pc或单板机可能太大或成本太高，而且它们或许也不能满足性能需求。这时可以通过将现成的专用芯片(asic)集成到设计中来实现所要求的功能，如用、运算和通信总线等，这种办法的缺陷是项目需要增强板级设计，而假如用法pc平台，只需要将精力集中在系统级设计上即可。但假如pc不能满足需求，而且也没有现成部件可以完成系统，那该怎么办呢？这时不仅要考虑举行板级设计，而且还包括芯片级设计，需要设计并创造自己的asic或者是用法现成的可配置芯片：。其中一个需确定的因素是终于产品的数量，假如设计的是大批量产品如蜂窝电话，那么为了节省设计和装配成本最好自行开发asic；但假如目标市场很小，则可以通过用法

4、fpga来削减成本。fpga可以在更改系统时不必开发新的asic，假如系统需要升级或修改以便满足特别客户的需要，这样的方式是极为有利的。今日，fpga已广泛应用在打印机、复印机、测量设备、消费电子产品和自动控制模块等嵌入式系统中。测量和控制用fpgafpga是一种具有可重配置规律门的芯片，与供给商提供功能定义的asic芯片不同，fpga可按照每个应用的不同需要而举行配置和重新配置。因为fpga允许在硬件中实现自定义算法，因此它具有精确时序和同步、迅速决策及并行任务同时执行等优点。在pc或带有rtos和微处理器的平台上，处理器必需对多个任务举行分时处理，而fpga则可以配置为多个自立的并行计算资

5、源，简言之，就像芯片上有多个微处理器一样，且这些微处理器都针对特定的任务举行了优化。fpga的性能和灵便性使得它们成为处理输入输出十分有效的技术。如果想计算那些比计数器处理的容易升高或下降沿更好玩的模拟或数字大事，或者要确认一个基于特定大事挨次或自定义通信协议的输入模式，然后在几纳秒后触发一个模拟操作，这时就可以利用fpga监视输入信号，迅速打算并做出反应。另外可以创建一个系统读取脉宽调制信号并快速计算占空比，更进一步，还可以对fpga举行配置以利用自定义数字协议举行通信，如对输入信息举行解码，然后将信息组合编码作为输出数据包再发送出去，这种迅速解码在与非标准衔接时有助于读取和解读出位置和速度

6、信息。你可能甚至希翼同时举行上述全部操作，并使得这些操作相互同步，且和其它输入和输出任务同步。那么输出的状况是怎样的呢？通过自定义数字协议举行通信和生成信号是这种类型很好的例子，也可以模拟一个衔接到物理系统的电子器件或传感器。假如是用一个基于软件的系统完成此项工作，即使用法rtos，输出的性能也可能不一定够。对于主控制算法，或许只需运行在几千赫兹频率上，这会造成cpu资源闲置，而且它只是告知输出做什么以及何时做，并没有指明该怎样做。详细来说，假定你的嵌入式系统是一个客户用来测试引擎控制模块的引擎模拟器，对汽车引擎建立了模型并且系统基于该模型举行实时模拟，通过模拟和数字i/o与控制器举行通信。假

7、如在某个特定测试里模型根据控制器的指示举行操作，引擎开头运转，但是不断实时调节汽缸模拟输出以使控制器信任它是与一个真切运转的引擎相连是十分困难的，输出信号必需在运转过程中形成以便对控制器的指令做出响应。但假如用法的是fpga，就可以通过对其举行配置使其生成基于模拟模型的高级输出信号。濒临的挑战将fpga集成到嵌入式系统最大的挑战是如何配置fpga的规律，以及将传感器输入和控制输出与它衔接起来。许多嵌入式系统设计人员对于在实时操作系统下运行的微处理器上编程十分娴熟，但他们不喜爱在芯片级对硬件举行定义，这需要有设计工具和语言如方面的学问。固然，冒昧进入芯片级领域还意味着需要设计和构建芯片周边的电路

8、板，虽然这对于一些嵌入式系统设计人员来说已经过时了，但仍然有许多设计人员宁愿尽可能地用法现成的硬件，特殊是当硬件必需精确地测量出传感器数据并对其作数字化处理时。目前有许多fpga配置工具，有些工具需要vhdl或其它语言编码完成硬件定义，有些工具提供了图形配置环境，还有的工具允许你用法认识的工具编写软件，然后将代码下载到fpga中。在挑选哪种方式适合时需要考虑几个问题，其中一个考虑因素是你的背景。你是否是一个富有阅历的硬件开发人员并对fpga的基本操作有深化的熟悉？假如是，就可以利用低级工具充分发挥你的阅历并深化实地举行配置。大概你不是，但你是一位优秀的程序员并且能很简单把握新的编程语言，那么你

9、可能需要挑选一个能够让你充分运用数据结构和程序详情举行编程的工具。另外一个可能是你既不是硬件专家也不是软件专家，但因为你对囫囵系统内在的理论或系统所投入的应用十分认识而来设计系统，假如是这种状况，那么应当挑选一个可以让你以自己的语言举行设计的工具，而不必学习复杂的fpga或硬件描述语言。另一个很重要的考虑因素是你方案设计的系统所要求达到的功能是什么。假如正在设计多个不同类型的系统，可能通用硬件设计工具最为适合。有许多人花费无数时光成为用法这些工具的专家，你也可以加入其中。假如想将涉及面缩小一些，那么也有工具去处理那些“常规”事务，而让你专注于可以增值的地方。举个例子，有许多工具可以协助你很快开

10、发出信号处理系统并将其配置到fpga中去，也有一些经优化的工具特地用来增强测量和控制功能。还需要考虑系统配置希翼怎样设置的问题。要有怎样的尺寸？与pc衔接吗？有的fpga开发工具要求你开发fpga周边全部硬件，另一些则要求用法一种特别的内建有fpga的电路板。对于后者，无数和板上其它资源如i/o与总线衔接的工作都已做好，这样可以大大加快开发的进度，由于你无须关注诸如抗噪性、稳定时光和串扰之类的事项。对于此类系统，你应当确保与i/o的衔接惟独一些容易功能。假如系统需要大量与运行windows或rtos的pc衔接，那么应挑选那些能够跨平台的设计工具。假如用于开发pc端接口的api很有限的话，设计效

11、率将受到一定的影响。设计系统设计一个完整系统的第一步是确定你的算法哪一部分需要放到fpga中并执行，有以下几种可能性。第一，囫囵应用都可以在fpga上执行，你无须通过键盘、显示器或鼠标等用户交互方式，在这种状况下，用软件开发就可以完成全部工作。其次，也可能将应用嵌入到fpga中去，但你想有一个在pc上运行的windows用户界面，这就意味着需要开发一个在windows下运行的程序来和fpga举行通信。这要看你的开发工具是否根据这种思路开发，可能很麻烦，也可能很容易。第三，另一个频繁的状况是，你希翼在fpga和一个微处理器平台如单板机或运行rtos的嵌入式pc之间分配你的应用程序，在这种状况下可

12、能也需要一个windows用户界面。有几个缘由你可能无法将囫囵应用程序嵌入到fpga中去。应用程序大小是其中之一，fpga的规律门数量有限，并且终于放入fpga中的代码因编程人员以及生成代码的自动系统不同而效率可能很高也可能很低，另外fpga上供用户用法的ram容量也很有限，而基于pc的平台普通都带有相对较大的内存和硬盘空间。另外一个需要考虑的问题是fpga设计经常无法举行浮点运算，市面上有在fpga上执行浮点运算的工具，但它们可能可以也可能无法与你正在用法的开发工具兼容，假如无法所有以整型算法运行囫囵计算，可以放一部分在pc上执行。pc还可以提供一些其它益处，而这些益处在fpga上无法简单地实现，包括文件i/o、网络操作、打印能力和基于pc的测量和控制能力，形识别/处理、gpib/vxi工具控制以及与工业总线如can、rs-232和rs-485的接口等。本文小结fpga为嵌入式系统带来了在尺寸、成本和性能上的优点，特殊对i/o处理加入智能特性十分有协助，利用fpga可以实现基于软件