针对微控制器应用的采用FPGA的嵌入式应用

导航系统采用微控制器调整系统的图像显示器，根据微控制器的输入提高或降低分辨率。

图3中的设计展示了一个片上系统的实现，包括微控制器、外围总线和几种外设功能，以及用于显示寄存器文档、暂存存储器、调用栈、程序计数器、标记和跟踪列表的硬件跟踪调试器。同时还支持微控制器的单步、多步和断点功能。

片上系统的例子可用来说明设计工具流程和实现(图4)。




图4：片上系统的软件开发流程及硬件开发流程

微控制器工具和实现

FPGA微控制器的高效率和紧凑实现使得2280 LUT MachXO器件可用于说明图3中片上系统的设计。

启动该设计的最简单方法是参考“快速启动指南”或项目向导一步一步地设计FPGA。一旦设计项目创建好，下一步就是编写微控制器程序。C或汇编语言是目前最流行的MCU编程语言。图5显示了用汇编语言编写的I2C Slave程序块。





图5：汇编代码实例

必须对微控制器的每个单元进行分析以决定要执行的操作。如代码实例所示，I2C写循环具有5种操作：读状态、写器件地址、写数据、写字地址及返回。请注意代码都加上了注释。

虽然汇编语言的规范在各种MCU上大多是一致的，但设计者还是应该查阅供应商的MCU指令集文档，以了解哪些操作是得到支持的。将汇编源代码转换到ROM初始化文件的汇编程序是由命令行驱动的，和指令集仿真器一样，这可以通过汇编器供应商工具套件获得或者从网上下载。其中有些工具是作为开放源代码工具提供。例如，LatticeMico8微控制器IP(知识产权)就是作为开放源代码提供，这是实现嵌入式微控制器的一种独特有效途径，可使用户拥有最大的灵活性。

嵌入式微控制器IP可以描述整个设计，或者作为一个大型设计的一部分与附加代码结合在一起。寻找一种有助于设计HDL调试和规则检查的工具是非常明智的。这种工具会生成该设计的分层结构和互连性的图形表示。用户可以通过各种图形和分层结构来观察设计，并利用智能工具交互探测视图以发现各种问题。




图6：设计视图—HDL调试工具

这对于IP集成的维护和复杂FPGAHDL设计的重设计都是很有用的，IP集成需要全面深入的途径进行设计分析和管理。相比传统仿真器或综合工具，这种工具可以实现设计结构的更高层抽象。这有助于创建并管理文档以及分析设计结构，从而极大地减少了花费在这些项目上的设计时间。

功能仿真

功能仿真首先创建一个工作库，设计被编译到该工作库中。仿真器通过图形用户接口、菜单或命令行使该过程更加顺利。这其中包含了设计文档和测试向量(test bench)。测试向量实例化该设计，并将数据加载到输入端。当运行设计时，测试向量被应用于该设计并显示结果(通常以波形的形式)进行分析。

可利用各种仿真器实现设计的功能仿真。如果已对整个系统建模，则可以在系统级进行功能仿真，或者对单个设计单元进行仿真以确保正确的语法和功能已在RTL级建模。在这种特殊情况下，有两家OEM的仿真器可供选择。Aldec公司的Active-HDL Lattice Designer Edition Lite是一种附加的仿真环境。它不但提供混合语言VHDL和Verilog仿真，还可提供面向FPGA设计的可选设计流程。另一种选择是MentorGraphics的ModelSim，它能够提供VHDL和Verilog语言以及门级时序仿真，以对设计



进行完整的仿真和分析。

综合

一旦完成功能仿真，下一步就是综合。综合可以用独立的方式完成，或者在供应商的项目导航工具中作为后台函数运行。综合获取设计、进行逻辑优化并实现工艺映射。独立模式综合的步骤包括建立项目、加入源文件、设置约束、运行设计和分析结果。约束是综合的实现选项，例如扇出限制、使用全局置位/复位。属性则附属于对象，以控制其依附的特定对象的优化、映射和分析。目前可提供两种领先的综合工具。

Precision RTL综合工具是Mentor Graphics公司的重要RTL综合解决方案。利用Precision RTL界面可以很容易地获取有用的特性和工具，例如示意图(RTL/工艺)观察器、约束分析器、PreciseTime(用于高级时序分析)、支持时序调整(re-timing)等等。这些高级工具有助于改进效率并最终优化结果。

Synplicity公司的Synplify综合工具是一款高性能、复杂的逻辑综合引擎，它利用专有的行为提取综合技术(Behavior Extracting Synthesis Technology)提供快速、高效的FPGA和CPLD设计。简单的用户接口和强大的综合引擎结合在一起能迅速提供优化的结果。