FPGA如何改变改变嵌入设计格局？

　　对一些FPGA开发者来说，设计安全性与IP损失可能是一个主要考虑因素。在有些情况下，尤其是那些在外部保存配置数据，并在上电时将其传送给FPGA的SRAM型设计，IP信息比较脆弱。为防止IP损失，FPGA供应商采用非易失性编程技术以及嵌入序列号来跟踪伪造产品。

　　所有FPGA供应商都提供一个工具集，包括编程工具和与器件配套的IP。例如，Xilinx公司的Virtex-5 FX70T版EDK（嵌入开发套件），提供了一个ML507开发板、Platform Studio嵌入工具组件以及ISE（集成软件环境），支持PowerPC 440硬处理器和MicroBlaze软处理器（图1）。该套件具有一个集成开发环境、多种软件工具、配置向导，以及IP目标的嵌入设计。用户可以在逻辑图编辑器中输入一个电路，对电路时序性能作仿真，对Virtex-5 FPGA作编译，然后在ML507原型板上测试设计。Virtex-5 FX70T EDK可以在线购买，价格为2595美元。

　　图形设计

　　FPGA开发工具也可以从第三方供应商和嵌入板制造商处获得。例如，National Instruments公司最近推出了一款采用FPGA的单板RIO（可配置I /O）模块，适用于嵌入应用，同时还有一个评估套件，用其LabView图形设计软件演示编程技术。新模块在一块8.2英寸×5.6英寸 PCB（印制电路板）上包括了一个实时嵌入处理器和一个可配置FPGA， 另外还有模拟与数字I /O。该模块采用一只266 MHz或400 MHz飞思卡尔MPC5200处理器、Wi n d Ri v e r 公司的VxWorks实时操作系统，以及一片XilinxSpartan-3 FPGA。板上的模拟与数字I/O直接连接到FPGA上，提供对时序和I/O信号处理的低层定制。单板RIO器件的起价为1000美元（100件以上）。

　　为支持单板RIO，Na t i o n a l Instruments公司还推出了嵌入软件评估工具套件， 为嵌入应用评估LabView Real-Time和LabView FPGA的编程经验。该套件包括扩展的评估软件、一个NI单板RIO评估器件、一个用于I /O接口的子板、一个电源、电缆、一个分步教程，以及多个可在LabView中立即运行的普通嵌入任务实例（图2）。该套件包括多个练习，通过在LabView中构建和微调图形化块图，学习创建、编译和运行FPGA应用。LabView嵌入平台评估套件的90天版本价格为999美元。

　　越来越多的商用电路板制造公司正在采用FPGA技术满足复杂的设计需求，并允许作未来的修改。

　　例如，Quantum3D承诺在安全与保密关键应用中提供不过时的硬件，如主要的飞行仪表和MLS（多层安全）系统，它采用的是新型Sentiris AV1 PCI XMC（express mezzanine card）（图3）。供应商采用了一个基于FPGA视频与图像处理核心的组合，而不是传统的专用GPU（图形处理单元）。虽然Sentiris AV1最初设计用于飞行认证的图像生成应用，但它也适用于其他用途，如医疗应用中的实时图像。该产品有模拟与HD-SDI（高清晰串行数字接口）视频输出，其视频与图形处理能力可实现驾驶室和关键任务应用中的3D图像。Sentiris AV1提供512MB的ECC保护DDR2内存、双HD-SDI输出，以及八通路的PCIe（外设部件快速互连）。Sentiris AV1的起价为9980美元。

　　图2 Quantum3D公司的Sentiris AV1 PCIexpress中间卡集成了一个FPGA视频与图形处理核心，以应对设备更新问题

　　FPGA技术有出色的并行处理能力，因此很适合于高性能、多通道应用，如软件无线电、数据采集和数字信号处理。例如，Pentek最近推出了Model 7151高分辨率软件无线电模块，用于GSM（全球移动系统）通信手机监控以及信号智能应用（图4）。四个200MHz、16 bit ADC馈给一个专有的FPGA IP核心，它提供256个DDC通道（数字下变频）。你可以将每组64个 DDC通道配置给一个特殊的输出信号带宽，以适合需要混合信号类型或多种调制方法的应用。可以从任何四个ADC中独立获得每个DDC组，一般分配给特定的天线。Model 7151使用户能够同时捕捉覆盖一系列调制方式、信号带宽和天线来源的数百个信号。Pentek提供ReadyFlow电路板支持包，为开发人员提供一个完备的硬件初始化、控制和应用函数库，用于Linux、Windows或VxWorks操作系统。Model 7151 PMC（PCI中间卡）模块版的价格为14500美元。

　　图3 Pentek公司的Model 7151软件射频模块采用了一个专利的FPGA-IP核心，提供256通道的数字下变频

　　嵌入标准

　　嵌入系统的标准化组织也正在采用一种基于FPGA硬件的新设计规范。例如，最近被批准的VITA（VMEbus国际贸易协会） 57.1 FMC（FPGA中间卡）标准使开发人员便于将FPGA集成到嵌入系统设计中。该规范定义了在工业标准中间卡上的I/O设备，你可以将它们连接到基板上的FPGA上。FPGA直接控制这些设备。FMC方案使你可以在多个项目上重用一个FPGA设计，只需要简单地替换I/O部分。一个FMC模块大约是标准PMC模块尺寸的一半。Curtiss-Wright公司的下属企业Vmetro推出了基于FMC标准的第一款I/O模块。ADC510现有采用风冷和传导冷却的坚固版，集成了两个12 bit、500 MHz ADC芯片，用于数字信号处理应用，如雷达、信号智能和电子对抗。

　　低成本的市售商用嵌入模块也采用FPGA技术，为定制应用的设计者提供了灵活性。例如，Technologic Systems公司的TS-7370是一种PC/104外形、可接LCD的单板机，该公司采用了Cirrus公司的EP9302 200 MHz ARM9 CPU和一个用户编程的Lattice XP2 FPGA（图5）。该公司产品可接LCD，因为FPGA连接到了一个专用的RAM帧缓冲，使用户能够在FPGA上建立一个定制视频核心，为大多数彩色TFT（薄膜晶体管）LCD面板提供接口。TS-7370支持多种嵌入系统应用，其外设接口包括板载RAM、10/100 Mbps以太网、USB 2.0主机、串行口、一个SD（数字安全）卡槽、ADC通道、数字I/O线、温度传感器，以及一个实时时钟。TS-7370开创性地运行Linux 2.6，价格为149美元（100件）。

　　当设计团队努力适应降低的预算和增加的系统复杂度时，FPGA器件与开发工具也成为新的嵌入设计中的主要考虑因素。　FPGA提供用单一硬件设计建立多种系统配置的方式。可重配置器件对于高速、多通道系统有特殊的价值，它的性能需求很难用传统的微处理器架构满足。虽然FPGA增加的重复成本和功耗要求限制了它们的应用，但中低批量的项目可以受益于减少的风险、缩短的设计周期以及最低的非重复工程，因此FPGA是一种很好的选择。