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技術資料

整合ARM、FPGA與可編程模擬電路的單芯片方案

發布時間 : 2017-11-27 09:25|浏覽次數 : 241

    現在設計人員不僅要從多種處理器架構中進行選擇(大多數嵌入式系統設計都以處理器內核爲中心),而且外設、通信端口和模擬功能組合的選擇幾乎無限。而這正好指出了嵌入式應用的多樣性所帶來的問題:盡管有如此多的標准端口可供選擇,卻很少有設計人員能夠最終實現單芯片解決方案。

如果世上真的有典型或者通用的嵌入式系統應用,主流半導體公司的産品目錄一定會薄很多。現在設計人員不僅要從多種處理器架構中進行選擇(大多數嵌入式系統設計都以處理器內核爲中心),而且外設、通信端口和模擬功能組合的選擇幾乎無限。而這正好指出了嵌入式應用的多樣性所帶來的問題:盡管有如此多的標准端口可供選擇,卻很少有設計人員能夠最終實現單芯片解決方案。他們的選擇往往都是微控制器加大量輔助芯片,其中常常包括一些用以提供微控制器所缺乏的特定邏輯功能的可編程邏輯,和作爲實際信號接口的模擬 IC。

設計人員極少實現單芯片解決方案,原因之一在于他們只能在有限的預定義功能組合中作出選擇。其它原因還包括應對設計變化的靈活性:功能與初始規格的匹配越精確,往後在項目進展過程中能夠適應不斷變化的要求的空間就越小。然而,一旦解決方案要采用多芯片來實現,設計安全性的問題就凸顯出來了。由于芯片間布線板級暴露,而且MCU代碼和/或FPGA配置數據沒有加密,整個設計便很容易被盜版。

而隨著Actel SmartFusion器件的推出,設計人員現在可以使用單芯片解決方案來提供期盼已久的可編程邏輯、可編程模擬電路與一個功能強大的業界領先32位架構微控制器內核的結合。最重要的是,有一個同樣全面的工具鏈支持該器件的廣泛靈活性(模擬和數字功能均可定制)與ARM Cortex-M3處理器的軟件可編程性相結合。

F2: SmartFusion中的可編程模擬模塊(包括:精度爲1%的ADC和DAC、多達3個采樣頻率爲600 Ksps的12位ADC、最多三個12位第一階sigma delta DAC、 最多10個50 ns高速比較器以及集成多種溫度、電壓和電流監控功能。)

愛特(Actel)公司在非易失性閃存工藝方面的戰略性投資,帶來了是三項截然不同的技術的整合。其優勢相當明顯:快閃編程器件把它的可編程邏輯配置數據和微控制器程序代碼永久性存儲在片上,因此它能上電即用,而不必等待從鄰近的EEPROM 裝載配置數據。而這也大大有助于解決知識産權(IP)安全性問題,因爲配置數據不再因器件間的傳送而暴露,從而避免被中途截取或被盜。更進一步的保護是出廠保護,即閃存一旦被編程就會被永久性鎖定以防止被讀取,這就是Actel器件上的FlashLock功能。此外,由于基于快閃的IC可對小批量器件進行編程,或是在制造過程的最後期在系統內對器件編程,故而適合衆多中小型生産規模的典型嵌入式設計。

這種硅工藝技術還有其它的優點。相比純邏輯CMOS工藝,快閃需要高電壓來編程和擦除,故內置有高模擬電壓電平的監控能力。愛特采用的工藝可實現片上模塊間的隔離(通過一種三阱結構),允許模擬和數字模塊並排放置,卻又彼此互不幹擾。盡管這是一個混合信號環境,模擬功能仍能夠保持出色的偏移和噪聲等參數規格。

F3: 微控制器子系統

在模擬能力方面,SmartFusion器件帶有多達3個12位逐次逼近(SAR) 模數轉換器(ADC),支持全分辨率500 Ksps工作。其中每個ADC都有一個對應的第一階1位sigma-delta 數模轉換器(DAC),而且具有500 Ksps的更新速度和高效的12位分辨率。它還有一個新的可編程元件,就是信號調節模塊(SCB)。SCB由精確的高壓.、電流.、溫度.以及高速(50 ns)比較器組成。高壓.,亦即有源雙極型預定標調節器(ABPS),能夠提供從-11.5V到+14V的電壓監控能力。專門設計的電流.通過放大外接低阻值感測電阻上的電壓降來實現檢測電流;而溫度.則通過外接二極管來實現檢測溫度。

所有這些模擬功能性在功能性配置和參數值方面都是完全可編程的,並擁有一個基于圖形用戶界面(GUI)的軟件環境,以及衆多用于板上FPGA配置的設計工具。

SmartFusion器件包含有多達500k可編程邏輯門電路,與基于快閃的 ProASIC3 FPGA器件系列一樣。這個邏輯電路支持350 MHz的系統性能,內置容量高達108 Kb的 SRAM,並擁有大量工作頻率高至350 MHz的數字I/O,支持LVDS、LVPECL、PCI/PCI-X等接口標准,可驅動高達24mA的電流。設計選擇包括愛特的HDL(硬件描述語言)工具鏈、Libero集成設計環境,可以硬件創建邏輯功能,或者是在GUI以拖放式(drag-and-drop)操作創建設計。這種方法可快速輸入預定義的IP模塊,這些模塊可能是源于以前設計的複用元件,或者是愛特提供的函數庫內的函數,也可能是第三方供應商提供的IP。

這些芯片上除了一個基于ARM Cortex-M3的微控制器子系統之外,還有衆多完全可配置邏輯和模擬功能。

    相比分立IC,邏輯和線性模塊能夠提供不折不扣的高性能,同樣地,ARM Cortex-M3處理器也是一種全功能全規格的實現方案。它是一種已獲全面集成的功能性模塊——是一個“硬”核,而不是在FPGA邏輯部件上編程的“軟”版本。系統運行時鍾頻率高至100 MHz,性能可達 125 DMIPS,並帶512 KB 的閃存和64 KB 的 SRAM。它的功能強大,足以運行複雜的算法,比如精度電機控制,或者甚至好幾個電機的多軸控制。另外,在系統管理應用中,它能夠管理電壓監控、定序(sequencing)、風扇控制及相關“系統內務管理”等多項任務,同時仍有充足的容量來運行更高的用戶應用級任務。作爲一個全功能的ARM Cortex-M3設計,它還帶有一系列外設,包括10/100 以太網 MAC 和其它接口,比如SPI、I2C和UART等。混合信號I/O 線運行頻率高達180 MHz,可驅動6 mA的電流。其它微控制器工程人員常用的功能還包括實時時鍾、看門狗定時器、8路DMA控制器和外部存儲控制器(用于額外的代碼或數據的存儲)。爲了最大效率地使用硅面積,這套外設也是“硬連線的”,但設計人員能夠通過使用鄰近的可編程邏輯來對之進行擴展和調整。ARM Cortex-M3 處理器經由相同的5層AHB 總線矩陣結構與FPGA 結構緊密連接,片上外設連接性能帶寬高達16 Gbps。

    如上所述,SmartFusion架構的處理能力顯而易見。此外,SmartFusion架構的靈活性優勢還體現在以下事實中:許多前端處理任務根本不需要調用ARM Cortex-M3處理器。與其它片上元件一樣,模擬計算引擎(ACE)也是一個全新的概念。ACE是一個半自治模塊,可在無需ARM Cortex-M3處理器幹預下執行擴展模擬預處理和後處理任務,比如信號采集的采樣和排序。

這個新的器件系列可爲嵌入式系統設計人員提供真正的單芯片工具,其在硬件方面完全可配置,軟件方面完全可編程,並充分利用了ARM架構能夠支配的所有代碼設計資源。這些芯片還附帶有一整套工具,可以爲軟件代碼編寫人員、模擬接口設計人員和RTL編程人員等提供一個熟悉的環境,而且能夠在這些技術人員向完整的FPGA、ARM和模擬領域拓展時予以他們支持。

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