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ASIC和FPGA的混合系统

时间:2017-03-14 19:28来源:未知 作者:admin 点击:
FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念,我们知道它的内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。
FPGA的基本特点主要有:
  1.采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片
2.FPGA。可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片
  3.FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
    4.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
  5.FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
  FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
  加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。
  FPGA有多种配置模式:并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
实践证明:用FPGA设计DDS电路较采用专用DDS芯片更为灵活。因为,只要改变FPGA中的ROM数据,DDS就可以产生任意波形,因而具有相当大的灵活性。相比之下:FPGA的功能完全取决于设计需求,可以复杂也可以简单,而且FPGA芯片还支持在系统现场升级,虽然在精度和速度上略有不足,但也能基本满足绝大多数系统的使用要求。另外,将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中,其系统成本并不会增加多少,而购买专用芯片的价格则是前者的很多倍。因此,采用FPGA来设计DDS系统具有很高的性价比。
1.混合设计应用的出现
通常专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)方法设计的电路在速度、尺寸及功能等方面优于用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)方法设计的电路。随着市场上对设计灵活性的要求日渐增强,ASIC和FPGA混合系统变得十分必要。电路实现要求具有如下能力:可实时更改硬件配置,能支持单套掩膜下的多种设计方案,并能延长产品使用寿命,所有这些促使设计人员寻找一种可以将具有集成度特性的ASIC电路与具有良好适应性的FPGA电路结合起来的混合系统。
设计人员可以设计一个基本的方案,并在后续的设计中再利用该方案,而使改动最小,这种设计思想能够缩短设计时间、提高标准化程度。由于消费类和办公类产品从低端到高端覆盖范围很广,可以有效地运用这种基础设计方法——每个系列的产品都可以加上不同的特性。打印机、传真机、计算机和数字成像装置都是利用这种设计思想的实例。
由于FPGA处理乘法与加法的速度很快,它也适合于DSP应用的设计。在构建DSP系统时,可采用并行结构和运算算法来减少资源的使用,且其性能优于单用途或多用途DSP芯片的性能。同时采用ASIC和FPGA优化系统性能的DSP设计人员将获得比单独使用两者中任何一种器件更好的性能。
ASIC/FPGA混合系统适用于其他支持多种标准的设计,比如在单个芯片上设计支持USB接口、1394接口和相机接口的器件。与此类似,除没有定义的特性或新标准外,其他都已成形,这种设计特别适合用ASIC/FPGA混合方法实现。如果不使用可编程逻辑,设计者必须在下列两种方法之间做出抉择:一是在明知PCI逻辑单元很可能会发生改变的情况下进行芯片流片;二是待到设计要求非常稳定时再行流片——这样很可能会影响最终产品的进度。如果同一个器件上既有可编程逻辑模块又有ASIC芯片,上述情形就可以避免。其他类似的问题,比如说不同尺寸或是输入/输出方面的要求都可以在FPGA设计部分予以解决,而不是一有改动就要改变掩膜或制版。
在电气测控系统中,常常需要采集各种模拟量信号、数字量信号,并对它们进行相应的处理。一般情况下,测控系统中用普通MCU(如51、96等单片机或控制型DSP)是可以完成系统任务的。但当系统中要采集的信号量特别多时(特别是各种信号量、状态量),仅仅靠用普通MCU的资源就往往难以完成任务。此时,一般只能采取多MCU联机处理模式,或者靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的监测任务。这样做不仅增加了大量的外部电路和系统成本,而且大大增加了系统的复杂性,因而系统的可靠性就会受一定影响,这显然不是设计者所愿意看到的。本文所提出的一种基于FPGA技术的模拟量、数字量采集与处理系统,利用FPGA的I/O端口多,且可以自由编程支配、定义其功能的特点,配以VHDL编写的FPGA内部执行软件,能很好地解决采集的信号路数多的问题。因为用VHDL编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的,而且FPGA硬件的速度是ns级的,这是当前任何MCU都难以达到的速度,因此本系统比其它系统更能实时地快速地监测信号量的变化 (责任编辑:admin)
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