可編程邏輯器件（PLD）是嵌入式工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元器件。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，PLD已經(jīng)從提供簡(jiǎn)單的膠合邏輯發(fā)展到使用FPGA作為協(xié)處理器。該技術(shù)在通信、電機(jī)控制、I/O模塊以及圖像處理等應(yīng)用中支持I/O擴(kuò)展，替代基本的微控制器（MCU）或者數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。

　　隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，F(xiàn)PGA還能夠集成整個(gè)SoC，與分立的MCU、DSP、ASSP，以及ASIC解決方案相比，大幅度降低了成本。

　　不論是用作協(xié)處理器還是SoC，Altera FPGA在您的工業(yè)應(yīng)用中都具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1. 設(shè)計(jì)集成——使用FPGA作為協(xié)處理器或者SoC，在一個(gè)器件平臺(tái)上集成IP和軟件堆棧，從而降低成本。

　　2. 可重新編程能力——在一個(gè)公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一片F(xiàn)PGA中，使工業(yè)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)協(xié)議、IP以及新硬件功能的發(fā)展變化。

　　3. 性能調(diào)整——通過(guò)FPGA中的嵌入式處理器、定制指令和IP模塊，增強(qiáng)性能，滿足系統(tǒng)要求。

　　4. 過(guò)時(shí)保護(hù)——較長(zhǎng)的FPGA產(chǎn)品生命周期，通過(guò)FPGA新系列的器件移植，延長(zhǎng)工業(yè)產(chǎn)品的生命周期，保護(hù)硬件不會(huì)過(guò)時(shí)。

　　5. 熟悉的工具——使用熟悉的、功能強(qiáng)大的集成工具，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)、IP集成以及調(diào)試。

　　設(shè)計(jì)集成

　　現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨很多挑戰(zhàn)，包括，系統(tǒng)復(fù)雜度、標(biāo)準(zhǔn)的變化、性能需求，以及系統(tǒng)總成本等，如圖1所示。

　　圖1.關(guān)鍵工業(yè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　作為一名工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，您可以確定是否使用FPGA作為協(xié)處理器（也稱為I/O輔助或者I/O hub器件），還是完整的SoC解決方案。您可以在相同的電路板上組合使用標(biāo)準(zhǔn)主處理器和FPGA，由外部主處理器完成系統(tǒng)處理功能。

　　然而，功能固定的處理器在工業(yè)應(yīng)用中通常缺少關(guān)鍵的接口、功能或者性能。您可以將部分處理任務(wù)移到FPGA中，從而減輕處理器的工作。或者，您在一個(gè)基于FPGA的SoC平臺(tái)上集成所有處理器功能，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少系統(tǒng)總成本。

　　很多MCU或者DSP解決方案如果要同時(shí)運(yùn)行電機(jī)控制任務(wù)和通信功能，其帶寬將無(wú)法滿足需求。結(jié)果，您可能需要增加其他的ASSP、MCU或者FPGA器件，如果目前的電路板無(wú)法承載這些器件，那么只能將其作為昂貴的置入卡來(lái)使用。相似的，不同的現(xiàn)場(chǎng)總線以及發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也需要針對(duì)每一協(xié)議采用專用ASSP、MCU或者FPGA器件。由于某些標(biāo)準(zhǔn)需要協(xié)議專用硬件（MAC）和協(xié)議專用軟件堆棧，因此，這些工作是必須的。FPGA支持您在協(xié)處理器中集成系統(tǒng)功能，根據(jù)需要隨時(shí)修改設(shè)計(jì)。

　　圖2顯示了一個(gè)運(yùn)動(dòng)和電機(jī)控制平臺(tái)，它發(fā)揮了Altera FPGA的優(yōu)勢(shì)，作為DSP卸載引擎和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)處理器。電機(jī)控制器通過(guò)控制速度和電流（轉(zhuǎn)換為扭矩設(shè)置），設(shè)置電機(jī)的能效和精度。相似的，運(yùn)動(dòng)控制則主要完成位置和時(shí)序精度控制功能。在很多情況下，電子硬件都是相似的，主要的差別在于控制軟件或者算法，以及I/O接口。

　　圖2中的例子顯示了一個(gè)典型的控制器，它依靠一個(gè)主MCU或者DSP器件（主處理器）來(lái)運(yùn)行算法，驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者運(yùn)動(dòng)控制器的電源級(jí)。當(dāng)主處理器達(dá)到其性能極限時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以提高器件時(shí)鐘速率，以提升處理器性能。但是，對(duì)性能增益是有限制的，這種方法可能會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，例如，需要更新到速度更快的存儲(chǔ)器，其他硬件的性能，以及優(yōu)化軟件需要更多的時(shí)間等。

　　在這種情況下，將某些主處理器功能卸載到FPGA協(xié)處理器中有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)，使用FPGA進(jìn)行通信，幫助您隨著工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而靈活的進(jìn)行修改。然后，您對(duì)FPGA重新編程，使用相同的硬件平臺(tái)來(lái)滿足需求。

　　在一個(gè)SoC FPGA器件平臺(tái)上集成設(shè)計(jì)元器件，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)總成本。圖3顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA現(xiàn)在起到了SoC的功能，集成DSP模塊、存儲(chǔ)器、視頻圖形控制器、電機(jī)編碼器以及其他元器件。您可以簡(jiǎn)單的加入PHY和其他模擬以及電源器件，從而完成設(shè)計(jì)。

　　此外，電機(jī)控制應(yīng)用通常還需要采用反饋機(jī)制來(lái)計(jì)算當(dāng)前速率和位置。對(duì)于FPGA，很多經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)字編碼器接口IP內(nèi)核只能用作IP，支持在接口上使用FPGA。在FPGA上集成IP減小了電路板尺寸，減少了元器件數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配，降低了存儲(chǔ)要求。這種集成方法減少了電路板上的元器件數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)可靠性。Altera FPGA支持很多其他系統(tǒng)功能，例如，嵌入式處理器、DSP模塊、LCD顯示屏和視頻處理器等。

　　圖4顯示了另一應(yīng)用實(shí)例，其FPGA用作視頻監(jiān)控應(yīng)用中的協(xié)處理器。視頻監(jiān)控市場(chǎng)越來(lái)越多的采用了寬動(dòng)態(tài)范圍（WDR）攝像機(jī)傳感器，能夠分辨從背景到逆光條件下的目標(biāo)物體。只有FPGA具有WDR圖像傳感器流水線（ISP）協(xié)處理所需的帶寬，將視頻流送入DSP器件進(jìn)行視頻編碼，例如，H.264等。DSP器件缺少處理WDR ISP所需的帶寬和接口，不具備運(yùn)行其他監(jiān)控功能的性能，例如，視頻分析等。

　　另一個(gè)例子，圖5顯示了FPGA作為視頻監(jiān)控應(yīng)用中的SoC。用作SoC時(shí)，F(xiàn)PGA支持您在一片F(xiàn)PGA中集成所有的組件——ISP、視頻分析、編碼和聯(lián)網(wǎng)功能。這一方法不需要采用后端DSP器件，支持實(shí)現(xiàn)更緊湊的集成設(shè)計(jì)。

　　圖6顯示了在Cyclone? V SoC上實(shí)現(xiàn)的SoC系統(tǒng)實(shí)例的結(jié)構(gòu)圖。

　　可重新編程能力

　　利用FPGA的可重新編程能力，您很容易適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，支持設(shè)計(jì)重用。即使您在工業(yè)應(yīng)用中只采用一個(gè)MCU、DSP、ASSP或者ASIC解決方案，很多應(yīng)用還是需要分立器件來(lái)處理工業(yè)通信等功能，例如，可選的現(xiàn)場(chǎng)總線專用ASIC或者FPGA，，如圖7所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范或者功能需求出現(xiàn)變化時(shí)，您通常會(huì)集中精力來(lái)開(kāi)發(fā)多塊PCB，以支持不同的協(xié)議和功能，每一平臺(tái)都需要額外的軟件導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)間。這大大提高了解決方案的總成本。

　　或者，您可以使用FPGA作為通信協(xié)處理器。您可以在一個(gè)硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)一個(gè)通信子系統(tǒng)，隨時(shí)修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多種產(chǎn)品。您通過(guò)在一片F(xiàn)PGA中更靈活的集成主MCU或者DSP控制功能、多個(gè)處理器和其他IP以及接口，開(kāi)發(fā)小外形器件，節(jié)省空間，降低成本。由于能夠針對(duì)多種產(chǎn)品采用一個(gè)平臺(tái)，減少了要開(kāi)發(fā)的硬件數(shù)量，簡(jiǎn)化了軟件的導(dǎo)入導(dǎo)出，因此，您將獲得幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)的產(chǎn)品及時(shí)面市優(yōu)勢(shì)。

　　調(diào)整性能

　　任何工業(yè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在是主機(jī)/主MCU、DSP、ASIC或者ASSP器件的處理功能。當(dāng)性能成為設(shè)計(jì)難題時(shí)，F(xiàn)PGA提供以下方法來(lái)調(diào)整處理性能，如圖8所示。

　　■ 使用高性能外部處理器以及FPGA內(nèi)置的多個(gè)嵌入式處理器之一。您還可以將所有處理功能集成到FPGA中，作為SoC。

　　■ 加入定制指令以及您的處理器代碼，從而加速專用處理器指令；浮點(diǎn)就是一個(gè)很好的例子。

　　■ 通過(guò)DSP模塊等專用硬件加速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法。

　　多核處理

　　對(duì)于靈活的多處理器設(shè)計(jì)，您可以從多種實(shí)現(xiàn)方式中進(jìn)行選擇。嵌入式工業(yè)設(shè)計(jì)人員通常對(duì)非對(duì)稱協(xié)處理感興趣，把FPGA作為I/O輔助芯片或者SoC。非對(duì)稱多處理器意味著多功能產(chǎn)品可以采用專用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)每一主要功能。這尤其適合滿足當(dāng)今迫切的應(yīng)用需求，例如，智能電話等。開(kāi)發(fā)人員以前在PCB上采用多個(gè)處理器來(lái)開(kāi)發(fā)這類系統(tǒng)?，F(xiàn)在，您可以在一片F(xiàn)PGA中每個(gè)分區(qū)的專用處理模塊上來(lái)完成這一工作，如圖9所示。

　　這類應(yīng)用的一個(gè)例子就是高性能伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，它需要高性能主處理器（或者多處理器）來(lái)完成每一主要功能。專用處理器執(zhí)行應(yīng)用代碼，通信處理器提供現(xiàn)場(chǎng)總線或者以太網(wǎng)鏈路，圖形或者圖像處理器提供顯示功能，包括數(shù)字電機(jī)編碼器、PWM功能和電源控制等其他定制邏輯和接口。您還可以將所有這些功能集成到FPGA中，作為協(xié)處理器或者完整的SoC。

　　定制指令

　　您可以通過(guò)增加定制指令以及相應(yīng)的處理器代碼來(lái)調(diào)整處理器性能。這一方法加速了專用處理器指令，如圖10所示。

　　您可以在嵌入式處理器指令集中加入定制指令，以加速對(duì)時(shí)間要求較高的軟件算法。圖10中的例子顯示了您怎樣在Altera Nios? II處理器的算術(shù)邏輯單元（ALU）中加入定制指令邏輯。使用定制指令將復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡(jiǎn)化為在硬件中實(shí)現(xiàn)的嵌入指令。您可以在各種應(yīng)用中使用這一功能。例如，您可以優(yōu)化DSP的軟件內(nèi)循環(huán)、數(shù)據(jù)包頭處理以及需要大量計(jì)算的應(yīng)用。Quartus? II軟件提供配置GUI，支持Nios II處理器的256條定制指令。圖10中的例子使用了64 Kilobyte （KB） CRC緩沖。在Nios II處理器中，與只采用軟件操作相比，定制指令能夠?qū)?a target="_blank">CPU的性能提高27倍。

　　硬件加速

　　除了定制指令，您還可以使用硬件加速器，例如DSP模塊、視頻模塊以及其他IP，從而消除數(shù)據(jù)瓶頸。圖11顯示了與僅采用定制指令的同一Nios II處理器系統(tǒng)相比，采用同時(shí)或者并行數(shù)據(jù)協(xié)處理器功能將系統(tǒng)性能提高了530倍。在并行數(shù)據(jù)協(xié)處理器期間，處理器的中央處理單元（CPU）啟動(dòng)并停止協(xié)處理器，協(xié)處理器獲取數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)結(jié)果，CPU同時(shí)運(yùn)行應(yīng)用代碼。這適用于模塊數(shù)據(jù)操作，例如，電機(jī)控制或者運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的DSP功能。

　　過(guò)時(shí)保護(hù)

　　生命周期較長(zhǎng)的FPGA降低了產(chǎn)品過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。Altera FPGA的產(chǎn)品生命周期非常符合工業(yè)設(shè)備的長(zhǎng)生命周期要求，能夠穩(wěn)定的供應(yīng)器件，如圖12所示。

　　大部分MCU、DSP或者ASSP器件的產(chǎn)品生命周期比FPGA短得多，這是因?yàn)楹虯ltera相比，其供應(yīng)商通常會(huì)更快的停止供應(yīng)成熟器件。這類器件設(shè)計(jì)用于針對(duì)大批量用戶在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用。而且，雖然目前產(chǎn)品中的ASIC器件可以工作15年以上，但是很多已經(jīng)接近壽命終了，迫使設(shè)計(jì)人員考慮FPGA等其他長(zhǎng)壽命器件。雖然新ASIC設(shè)計(jì)正在開(kāi)發(fā)中，但是設(shè)計(jì)人員還不能迅速更新這些產(chǎn)品以跟上標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，或者滿足新功能的要求。

　　相反，F(xiàn)PGA涵蓋了多種應(yīng)用和市場(chǎng)，與大批量產(chǎn)品的特殊應(yīng)用無(wú)關(guān)。因此，Altera在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的FPGA是您的高性價(jià)比選擇。您可以更好的管理穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，它會(huì)含有很多其他半導(dǎo)體元器件。在您的設(shè)計(jì)中使用FPGA平臺(tái)時(shí)，您能夠隨時(shí)更新并修改您的設(shè)計(jì)。您可以重復(fù)使用IP，在很短的時(shí)間內(nèi)將設(shè)計(jì)導(dǎo)入到新系列FPGA中，這要比設(shè)計(jì)新MCU、DSP、ASSP或者ASIC快得多。

　　隨著時(shí)間的推移，Altera FPGA幫助您提高了多條產(chǎn)品線的商業(yè)價(jià)值，降低產(chǎn)品過(guò)時(shí)的成本。
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