標(biāo)題：FPGA技術(shù)及其與其他技術(shù)的綜合運用
摘 要：介紹FPGA的特點及開發(fā)過程，闡述了其與單片機和DSP相結(jié)合的技術(shù)。<!--摘要CH(結(jié)束)←--><!--→關(guān)鍵CH(開始)-->
關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列
<!--關(guān)鍵CH(結(jié)束)←--><!--→標(biāo)題EN(開始)-->
<!--關(guān)鍵EN(結(jié)束)←-->1 FPGA概述
1．1 FPGA的基本結(jié)構(gòu)
FPGA是高密度的PLD，其集成度可達(dá)3萬門／片以上。圖1是Xilinx公司的FPGA，它由三種編程單元和一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器構(gòu)成。這三種可編程單元是IOB（Input／Output Block可編程輸入／輸出單元），CLB（Configurable Logic Block可編程邏輯單元）和IR（Interconnect Resource互連資源）。它們的工作狀態(tài)全部由編程存儲器中的數(shù)據(jù)設(shè)定。CLB提供用 戶所需要的邏輯功能。由于這三部分都是可編程的，所以改變芯片的功能除了靠改變各CLB之間的連接，也可以通過改變各個CLB所實現(xiàn)的邏輯功能來完成。 FPGA中的編程信息將存儲在專用的靜態(tài)RAM中；RAM觸發(fā)器的每一位，存儲一個編程信息。系統(tǒng)上電時，編程信息就由外部傳入到這些存儲單元中， FPGA就可以按照這些信息來形成內(nèi)部的構(gòu)造和連接，以實現(xiàn)所需要的功能。
FPGA中有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計，而其中相當(dāng)數(shù)量的存儲電路（觸發(fā)器）又可完成復(fù)雜的時序邏輯電路設(shè)計。通過使用各種EDA工具，用原理圖或硬件描述語言，可以很方便地將復(fù)雜的電路在FPGA中實現(xiàn)。像典型的數(shù)字系統(tǒng)分頻器，數(shù)字鐘，數(shù)字頻率計等等都可用 FPGA完成。
FPGA的開發(fā)系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個部分。開發(fā)系統(tǒng)軟件指專用的編程語言和相應(yīng)的匯編程序或編譯程序。開發(fā)系統(tǒng)硬件部分包括計算機和編程器。編程器是對FPGA進(jìn)行寫入和擦除的專用裝置，能夠提供寫入或擦除操作所需要的電源電壓和控制信號，并通過串行接口從計算機接收編程數(shù)據(jù)，最終寫進(jìn)FPGA之中。
90年代初Lattice首先推出了一種新型可編程邏輯器件———ISP—PLD（In－SystemProgrammable PLD在系統(tǒng)可編程邏輯器件），將原屬于編程器的寫入／擦除控制電路及高壓脈沖發(fā)生電路集成于FPGA中，這樣，在編程時就不必使用編程器，而且由于只需外加5V電壓，所以不必將FPGA從系統(tǒng)中取出，從而實現(xiàn)“在系統(tǒng)”編程。
FPGA設(shè)計主要分為設(shè)計輸入、綜合、功能仿真（前仿真）、設(shè)計實現(xiàn)、時序仿真（后仿真）、配置下載六個步驟。設(shè)計輸入包括硬件描述語言HDL、狀態(tài)圖與原理圖三種方式。對于簡單的設(shè)計，可以使用原理圖或A－BEL進(jìn)行設(shè)計；對于較復(fù)雜的設(shè)計，可以用行為描述語言（如VHDL語言）和原理圖或二者結(jié)合進(jìn)行設(shè)計。功能仿真用來驗證設(shè)計的邏輯功能；在設(shè)計的過程中，對部分功能或整個設(shè)計均可進(jìn)行仿真。設(shè)計實現(xiàn)是指從設(shè)計輸入文件到位流文件（只對FPGA而言）。在該過程中，經(jīng)軟件自動地對設(shè)計文件進(jìn)行映射、布局、布線，產(chǎn)生相應(yīng)的位流數(shù)據(jù)文件。時序仿真是在設(shè)計實現(xiàn)后，針對器件的布局、布線方案進(jìn)行時延仿真和分析定時關(guān)系。
2 FPGA與單片機
FPGA等大規(guī)模可編程邏輯器件可以取代現(xiàn)有的全部微機接口芯片，實現(xiàn)微機系統(tǒng)中的存儲器、地址譯碼等多種功能。利用FPGA可以把多個微機系統(tǒng)的功能電路集成在一塊芯片上。
在功能上，單片機與FPGA有很強的互補性，單片機具有性能價格比高、功能靈活、易于人機對話以及良好的數(shù)據(jù)處理等特點，而FPGA具有高速、高可靠性以及開發(fā)便捷、規(guī)范等優(yōu)點。單片機可用總線方式和獨立方式與FPGA接口。由于其通信工作時序是純硬件行為，對于MCS－51單片機，只需一條單指令就能夠完成所需讀寫時序，也就是最常用的MOV＠DPTR，A和MOVA，＠DPTR。另外，在FPGA中通過邏輯切換，可使單片機與SRAM或ROM接口，這種方式類似于微處理器系統(tǒng)的DMA工作方式，首先由FPGA與接口的A／D等器件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣，并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中，采樣結(jié)束后，通過切換，單片機可以與SRAM以總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
目前許多實驗電路板都將FPGA與單片機有機地結(jié)合在一起，從而可以完成許多復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)。通常單片機負(fù)責(zé)鍵控、顯示、計算、通信、簡單控制和系統(tǒng)協(xié)調(diào)，而FPGA負(fù)責(zé)高速、高精度和高穩(wěn)定性等指標(biāo)的實現(xiàn)，也就是說，由單片機負(fù)責(zé)功能上的設(shè)計，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)指標(biāo)上的設(shè)計。圖2就是一個典型的單片機與 FPGA通信的例子，通過EDA設(shè)計（原理圖或硬件描述語言）和單片機匯編語言或C語言的設(shè)計，由PC機發(fā)命令碼給FPGA，并將FPGA系統(tǒng)上測得的頻率顯示在PC機的屏幕上。這里的單片機起的是通信橋梁作用。
數(shù)字信號處理（DSP）在許多領(lǐng)域有著廣泛的用途，如雷達(dá)、圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)字電視和數(shù)字通信機等。一般情況下，采取兩種方案進(jìn)行數(shù)字信號系統(tǒng)的設(shè)計，一種是用固定功能的DSP器件或FPGA器件，另一種是采用DSP處理器，如TMS320微處理器。
兩種方法中，固定的DSP器件或FPGA器件可以提供很好的實時性能，但其靈活性較差，不適合在實驗室或技術(shù)開發(fā)環(huán)境中的應(yīng)用；DSP成本低且速度較快，但由于軟件算法在執(zhí)行時的順序性，限制了它在高速和實時系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，大規(guī)模可編程邏輯器件為數(shù)字信號處理提供了第三種解決方案，F(xiàn)PGA與DSP 相結(jié)合，能夠在集成度、速度和系統(tǒng)功能方面滿足DSP應(yīng)用的需要。由于FPGA器件內(nèi)部提供了RAM，雙口RAM和FIFO—RAM，所以利用FPGA設(shè)計DSP系統(tǒng)，同時具備DSP處理器的靈活性和固定功能的DSP芯片的實時性。
3．1 DSP的特點及其與FPGA相比的優(yōu)劣
DSP是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP適用于條件進(jìn)程，特別是較復(fù)雜的多算法任務(wù)。在運算上，它受制于時鐘頻率，而且每個時鐘周期所做的有用操作的數(shù)目也受到限制。從效果上看，采用DSP軟件更新速度快，可靠性、通用性和靈活性都很強，但DSP受到串行指令流的限制。
FPGA當(dāng)中有很多自由的門，將這些自由的門連接起來可以形成乘法器、寄存器以及地址發(fā)生器等等。這些只要在框圖級完成，許多塊可以從簡單的門到FIR（有限沖激響應(yīng)）和FFT（快速傅立葉變換）在很高的級別完成。但它的性能受門數(shù)及運算速度的限制。
超過幾MHz取樣率，一個DSP僅僅能完成對數(shù)據(jù)非常簡單的運算，而這樣簡單的運算用FPGA將很容易實現(xiàn)，并能達(dá)到很高的取樣速率。在比較低的取樣速率時，整體上很復(fù)雜的程序可以使用DSP，而這對于FPGA是很困難的。
在實時視頻處理的應(yīng)用中，由于其對系統(tǒng)要求極高，只具備簡單功能的DSP無法完成。而FPGA利用并行處理技術(shù)實現(xiàn)視頻處理算法，并且只需單個器件就能完成期望的性能。在中值濾波器的應(yīng)用中，DSP處理器需要67個周期執(zhí)行算法，而FPGA只需工作在25MHz頻率下，因為FPGA能并行實現(xiàn)該功能，實現(xiàn)上述功能的DSP必須工作在1．5GHz頻率下。在此應(yīng)用中，F(xiàn)PGA解決方案的處理能力可達(dá)到100MHzDSP處理器的17倍。
3．2 FPGA＋DSP方案的運用
上面提到，運用DSP受到串行指令流的限制，而利用FPGA的算術(shù)邏輯單元與外部存儲器相結(jié)合，可以解決線路板面積有限和有些數(shù)據(jù)處理需要大量存儲空間的矛盾；利用FPGA并行流水的特點解決了數(shù)據(jù)實時處理和有限D(zhuǎn)SP處理速度之間的矛盾，而FPGA運行模式的控制和接收上位機的命令、向上位機輸出目標(biāo)數(shù)據(jù)的工作由DSP來完成，從而達(dá)到了系統(tǒng)的最佳配置。圖3是FPGA＋DSP結(jié)構(gòu)典型的例子。
FPGA＋DSP的最大特點是結(jié)構(gòu)靈活，有很強的通用性，適用于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法的效率；又由于其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適用于實時信號處理。在實時信號處理中，低層信號預(yù)處理算法所處理的數(shù)據(jù)量大，對處理的速度要求高，但運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，適用于FPGA硬件實現(xiàn)，這樣同時兼顧速度和靈活性。高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP 芯片來實現(xiàn)。
應(yīng)用將一些能實現(xiàn)基本數(shù)字信號處理功能的DSP模塊嵌入FPGA的芯片是數(shù)字電路設(shè)計的一個趨勢。有些公司已經(jīng)計劃把基于ASIC的微處理器或DSP 芯核與可編程邏輯陣列集成在一塊芯片上。FPGA提供的性能已經(jīng)超過1280億MAC／s（乘法累加運算／秒），大大高于傳統(tǒng)的DSP性能。 QuickLogic公司推出的QuickDSP系列，提供了嵌入式DSP構(gòu)件塊和可編程邏輯器件。除了以前的可編程邏輯和存儲模塊，還包括專用的乘加模塊；這些合成的模塊可以實現(xiàn)DSP功能。