FPGA实现嵌入式系统

FPGA实现嵌入式系统

摘要：在许多领域中广泛应用的嵌入式计算系统（简称为嵌入式系统），是在更大的电子器件中嵌入的重复完成特定功能的计算系统，它经常不被器件的使用者所识别，但在各种常用的电子器件中能够找到这些嵌入式系统。以可编程门阵列（FPGA）来实现可配置的嵌入式系统已越来越广泛，本文主要详细介绍了以FPGA实现嵌入式系统的前景。

关键词：嵌入式；FPGA；嵌入式操作系统。

FPGA Embedded Systems

LI Bo

（College of Electrical and Electronic Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan

430200,China）

Abstract：In many embedded computing systems widely used in the field(referred to as embedded systems),is an electronic device in larger repeat embedded computing system to accomplish a specific function,it is often not recognized by the user of the device,but in a variety of conventional electronic devices can be found in these embedded systems.Programmable gate array(FPGA)to implement a configurable embedded systems has become increasingly widespread,this paper introduces the prospect to FPGA implementation of embedded systems.

Key words：Embedded;FPGA;Embedded operating system.

1引言

随着计算与通信的融合以及广泛的多媒体处理需求，嵌入式系统得到了前所未有的蓬勃发展。嵌入式系统是以专用芯片为核心的专用系统，其特点是面向用户、面向应用、面向产品，软、硬件量体裁衣，满足行业应用个性化的要求，而这也是FPGA器件的特点。因此基于FPGA的可配置嵌入式系统开发技术以及相应的片上可编程系统（SOPC）解决方案，不仅可融入微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术，还能提供了基于嵌入式智能平台的嵌入式系统的设计方法，还降低了设计难度、缩短了研发周期，必将成为未来的主流趋势之一。

从系统对上市时间的要求、可定制特性以及集成度等方面考虑，FPGA在嵌入式系统中获得广泛应用，已经从早期的军事、通信系统等应用扩展到低成本消费电子类等产品中。目前，FPGA在嵌入式系统中主要有3种使用方式：（1）状态机模式：无外设、无总线结构且无实时操作系统，达到最低的成本，常应用于VGA和LCD控制等，满足用户的最基本需求。

（2）单片机模式：包括一定的外设，可以利用实时操作系统和总线结构，以中等的成本，达到中等的性能，常用于控制和仪表。

（3）定制嵌入模式：高度集成扩充的外设，实时操作系统和总线结构，可达到高性能，常应用于网络和无线通信等。

2FPGA实现嵌入式系统的优势

嵌入式嵌入式系统经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控制系统，进而发展到嵌入式智能平台的几个发展阶段。从独立单机使用发展到联

网设备。从以模拟电路为主发展到以数字电路为主、数模混合型，进而进入全数字时代。总的来说，嵌入式系统向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、无处不在的方向发展。

基于FPGA的可配置嵌入式系统开发技术以及相应的片上可编程系统（SOPC）解决方案，不仅可融入微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术，还能提供了基于嵌入式智能平台的嵌入式系统的设计方法，还降低了设计难度、缩短了研发周期，必将成为未来的主流趋势之一。

从系统对上市时间的要求、可编程的特性以及集成度等方面考虑，以可编程门阵列（FPGA）来实现可配置的嵌入式系统已越来越广泛。图1表示FPGA实现嵌入式系统的市场预测，估计从2002年的23亿美元，将增长到2008年的63亿美元。

图1FPGA实现嵌入式系统的市场预测

采用90纳米工艺生产FPGA器件之后，FPGA器件进一步降低成本，减少功耗和提高性能，低成本使FPGA成为中小批量生产的应用器件，应用范围从早期的军事、通信系统等扩展到低成本消费电子类等产品。目前在实现嵌入式系统的各个领域得到广泛的应用，并进一步带来设计方法的变化。

3FPGA DSP嵌入式系统

FPGA是极高并行度的信号处理引擎，能够满足算法复杂度不断增加的应用要求，通过并行方式提供极高性能的信号处理能力。Xilinx的XtrerneDSP模块，如图3所示，使得Virtex4/Sparten3系列厂PGA可以为高性能的数字信号处理提供理想的解决方案，达到传统上由ASIC或ASSP完成的高性能信号处理能力。可以针对数字通信和视频图象处理等应用开发高性能的DSP引擎，也可在可编程DSP系统中作为预处理器或协处理器等。Vir-tex4SX系列中DSP48模块最多达到512个，工作频率达到500MHz，成为算术密集应用的理想器件。

DSP48模块是一个18×18位二进制补码乘法器，跟随一个48位符号扩展的加法器/减法器/累加器，适应DSP应用中的众多的功能。提高了操作数输入、中

间积和累加器输出的可编程流水线操作，以及48位内部总线等的吞吐量和适应性，无需一般的结构布线就可以实现前一个DSP48的输出与后一个DSP48输入的级联，增强了它的功能。

在复杂算法的数字处理系统中，系统要求的不断提高和集成规模的不断扩大，使得系统结构在设计的开始阶段是不明确的，不可能直接用RTL（寄存器转移级）设计方法进行描述，所以将系统集成到数字芯片中。

图2所示的DSP设计环境可以进行系统的数学建模，算法优化和改进，设计校验和诊断，以及日DL产生和仿真等。涉及Xilinx的ISE硬件实现工具和嵌入系统开发包EDK，以及片内逻辑分析工具（CChipScope Pro）等。第三方的工具包括MATLAB/SimuLink和ModeISim等，可以进行HDL协同仿真和硬件在环路的协同仿真等，一旦设计优化完成和仿真通过，可以直接利用IP核的网表文件进行硬件实现，设计的效率和可靠性大大提高。

图2DSP设计环境进行系统的数学建模

4FPGA嵌入微处理器系统

Xilinx FPGA的Virtex4和Virtexll-Pro系列嵌入7IBM PowerPC405的RISC 微处理器硬核，而Virtex和Spanten II之后的所有系列都可以嵌入MicroBlaze软核。

嵌入的PPC405硬核和MicroBlaze软核都是32位的哈佛结构微处理器。

PPC405硬核包括cache单元、存储器管理单元（MMU）、指令获取译码单元、执行单元、定时器和诊断逻辑单元等，如图3所示，指令的操作包括获取、译码、执行、写回和加载回写五级流水组成。包括加载和存储等大多数指令都是一个时钟周期内执行。