工具使MCU+FPGA编程变得轻而易举

工具使MCU+FPGA编程变得轻而易举自从商业上可行的FPGA出现以来，嵌入式设计人员就已经实现了异构架构。最初，FPGA主要用作处理系统、外设和I/O之间接口的粘合逻辑。但随着FPGA技术的改进，市场扩大到在嵌入式系统中发挥更大和更核心的作用。异构计算的最新趋势是将处理器和FPGA子系统集成到单个SoC中。以处理器和软件为中心的设计团队现在可以在这些复杂的SoC上利用这两个系统。异构计算架构系统设计人员被嵌入式系统的处理器和FPGA组合所吸引，因为它们在标准设计模板中提供了灵活性和性能。系统中的处理器提供了广泛的标准外设接口，如以太网、串口、USB、CAN、SPI和内存。在仅处理器方法中，应用程序I/O通常通过SPI或USB连接。为处理器开发软件已广为人知且易于管理。在处理器和专用I/O之间放置FPGA可提高系统的灵活性和处理能力，并增加硬件驱动操作的可靠性和确定性。FPGA不受操作系统或其他软件开销的影响，这会降低性能并降低可靠性。由于FPGA是可重新配置的门阵列逻辑电路矩阵，其硬件可以重新编程以执行无数功能，包括信号处理、自定义定时和触发，以及极其先进的确定性控制。可重新编程有助于硬件升级和产品差异化，从而在不断发展的接口和标准中延长产品寿命。除了这些优势之外，处理器加FPGA的组合还带来了一些挑战：FPGA的功耗将单独的FPGA集成到PCB设计中的尺寸、成本和复杂性与处理器上的软件开发相比，与FPGA硬件设计相关的编程。FPGA供应商正在通过SoC解决其中的许多挑战，SoC集成了处理器和FPGA，并确保两者之间的连接。XilinxZynqAllProgrammableSoC是一个将ARMCortex-A9CPU与FPGA逻辑集成的示例。CypressSemiconductorPSoC(可编程SoC)和MicrosemiSmartFusioncSoC(可定制SoC)将ARMCortex-M3CPU与可编程逻辑和可编程模拟接口集成在一起。这些产品降低了集成FPGA的尺寸、成本和功耗。图1：SoC相对于DSP或ASIC的优势——基于每芯片的MAC、每W的MAC和每美元的MAC。软件编程和硬件描述语言将FPGA子系统集成到处理器SoC通常会使PCB设计更加容易。然而，对这两个系统进行编程仍然很困难。通常，硬件描述语言(HDL)，如VHDL或Verilog，是利用FPGA所必需的。精通C/C++等语言的系统设计人员库非常丰富，而HDL专家只占嵌入式系统工程师劳动力的一小部分。可编程逻辑工具已经发展到更好地适应嵌入式软件工程师的技能。具有FPGA架构的FPGA和SoC可供领域和VHDL专家在工业应用中使用。FPGA供应商正在大力投资工具和合作伙伴，以更好地协调处理器和FPGA架构之间的开发实践。高级综合(HLS)工具，例如LabVIEWFPGA模块、VivadoHLS或SystemC，可缩小软件和数字域之间的代码开发差距。一个示例工具是LabVIEW，它自2003年以来就具有一个插件模块，该模块针对用于NationalInstruments基于FPGA的硬件中的XilinxFPGA。该工具将处理器和FPGA逻辑的开发抽象为相同的语言和控制循环，这可以比以前使用基于处理器的系统更快地创建。单个系统设计人员可以掌握软件和FPGA开发领域，这通常需要两名或多名具有独特技能的工程师。他们可以利用内置语言结构来管理时钟/时序、内存I/O和数据传输(例如，直接内存访问)，以及周期精确的仿真和调试功能、云编译支持以提高生产力，以及支持HDL集成。一个算法，写一次，通过提高集成度来缩短上市时间使用传统方法，将I/O集成到FPGA中通常很耗时。许多高级综合工具无法替代整个HDL工具链，因为从FPGA架构到现实世界的I/O接口仍然必须使用HDL实现。来自HDL设计团队的轶事表明，I/O集成通常需要70%以上的时间专门用于设计，而只有30%或更少的时间用于通过控制算法或信号处理来增加差异化价值。LabVIEW软件和基于FPGA的硬件的紧密集成带来了解放