基于FPGA的嵌入式系统设计综述
基于FPGA的嵌入式系统设计综述
嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件，嵌入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和软核之分。常用的嵌入式处理器硬核有ARM、MIPS、PowerPC、Intel x86和Motorola 68000等；Altera公司开发的Nios是16/32位嵌入式处理器软核。和硬核相比，软核的使用灵活方便。 Nios嵌入式处理器是可配置的通用RISC处理器，可以很容易地与用户逻辑相结合，集成到Altera FPGA器件中。Nios具有16位指令系统，用户可选择16位或32位数据宽度和可灵活配置的标准外围设备及软件库。Nios系统将处理器、存储器、输入输出接口和其他IP核灵活地集成到SOPC设计中。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和软件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义：一.嵌入式系统面向用户、面向产品和面向应用，必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。嵌入式系统与应用紧密结合，具有很强的专用性。二.嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集和不断创新的知识集成系统。三.嵌入式系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。比较好的发展模式是：首先建立相对通用的硬件和软件基础，然后开发出适应各种需要的嵌入式系统。
同时还应该看到，嵌入式系统是一个外延极广的概念。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的系统都可以称为嵌入式系统。一般而言，嵌入式系统和通用计算机系统类似，由处理器、存储器、输入输出接口和设备以及软件等部分组成。但作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下几个重要特征：
系统简练。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以系统内核与传统的系统相比要小得多。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求功能的设计和实现过于复杂，这既有利于控制系统成本，同时也有利于保障系统安全。
专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件的设计，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据硬件的变化和增减对软件不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载也要同系统相结合。
实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直接运行，但为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开发时间，保障软件质量。
专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完成以后用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发工具和环境一般基于通用计算机的软硬件设备、逻辑分析仪和示波器
等。
在嵌入式系统的软件开发过程中，采用C语言将是最佳的选择。由于汇编语言是非结构化的语言，不能胜任大型的结构化程序设计，必须采用更高级的C 语言进行设计。
随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件其设计性能已完全能够与ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。
FPGA的基本结构由以下几个部分构成：可编程逻辑功能模块CLB、可编程输入输出模块、可编程内部互连资源PI。随着工艺的进步和应用系统需求，一般在FPGA中还包含以下可选资源：存储器资源、数字时钟管理单元、多电平标准兼容、算数运算单元、特殊功能模块、微处理器。以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进、向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展、IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式、MCU、DSP、MPU 等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心。
随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。使我们有理由相信，可编程片上系统的时代已经离我们不远了。