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1、基于FPGA的MCU系统设计1 引言11 MCU的发展及应用MCU（Micro Controller Unit）中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，顾名思义就是把全部的计算机系统集成到一块芯片中。微处理器MPU（Micro Processing Unit）就是微型计算机的中央处理器CPU（Central Processing Unit），MCU一般以某一种MPU内核为核心芯片，它采用了超大规模机场电路技术，将中央处理器中的各功能部件集成在同一块芯片上，这也是它和其他计算机的主要区别。它的微处理器包含计算机体系结构中的运算器和
2、控制器，是构成微型计算机的核心部件。随着超大规模集成电路技术的发展和应用，微处理器中所集成的部件越来越多，除运算器、控制器外，还有协处理器、高速缓冲储存器、接口和控制部件等。微处理器自1970年问世以来，在短短几十年的时间里，以极快的速度发展，初期每隔二到三年就要更新一代，现在则不到一年更新一次。1976年9月INTEL公司推出了8084MCU，属于8位MCU，不带串行I/O口，片内RAM、ROM容量也不大，只适用于简单的工业控制和比较简单的数字化仪表。1980年INTEL公司推出了比8084系列功能更为优秀的8位MCU，即8051。1982年MOSTEK公司首先发布了第一个16位MCU682
3、00。1989年MOTOROLA公司推出了准32位MCU 68300。1991年MOTOROLA公司推出了32位MCU MC6833IFC。同年，INTEL公司推出了采用RISC技术设计的16位MCU A80960KA和32位MCU 809600。1992年之后，世界上许多公司都陆续推出了采用RISC技术设计的32位MCU、64位MCU。RISC技术在MCU的设计中发展迅速并且日趋成熟。在国内，4位和8位MCU的设计技术已经成熟，16位和32位MCU也在逐步发展。目前，MCU的发展有两种趋势：一种趋势是向高性能处理器和多位数MCU发展，另一种方向是发展性价比高的快速高效低位数MCU。能代表多位
4、数MCU的是32位MCU，而快速高性能低位数MCU中，应用面最广、发展最快的就是8位MCU。按照MCU的特点及性能，MCU的应用范围包括了，工业测控系统，例如构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。智能仪表的开发，促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。机电一体化技术，使传统机械产品结构简化, 控制智能化。智能接口方面，在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中。一般情况下，设计者为了提高系统的运行速度，常常应用MCU控制和管理各种智能化接口。在民用智能化产品中，如在家用电器、智能手机、PDA终端、影音设备、ATM机
5、、医疗设备、物联网应用设备等许多产品中, 使用了MCU控制设备, 不仅使产品的价格成本大幅度降低，使用性能相比以前也有了较大改善， 并且获得了良好的使用效果。MCU在现代流行的视频会议中也起到核心领导的作用，通过MCU设备给下面终端设备设置好权限属性就可以组建一个完整的视频会议网络。目前，中国的单片机应用经历了二十余年的发展历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机的发展和应用也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，可是8位和16位机依然难以淘汰。现今市场上流行的典型的8位微处理器，与传统的8位MCU相比，是由VHDL实现的软处理器IP Core，可以在各
6、种FPGA上实现，设计灵活方便。因此，这些MCU将在基于可编程逻辑的应用领域中发挥积极的作用。由于其具有较高的处理性能和较少的资源占用，故具有更加广泛的应用前景。12 MCU的特点MCU相对于其他设备有很多优点。在系统集成度方面，相比早期的微型计算机，MCU设备的集成度高，由于电子技术，特别是大规模集成电路技术的发展，系统所需的基本模块已经可以集成在一个芯片上，并且功能大为增强。现在的MCU器件一般采用把处理器、存储器以及I/O接口等部件集成在一个芯片上。因为MCU器件的内部已经集成了上述的进行控制所需的基本功能模块，所以只要连接少数的外部模块，甚至不需要任何外部模块，MCU就可以独立完成控制
7、工作。 在抗干扰性方面，MCU的系统运行可靠，抗干扰能力也相当优秀，因为采用了先进的大规模集成电路的加工工艺，系统的各个部件都集成在一个芯片上，这样由于系统布线都是纳米级的，所以不易受到外部信号的干扰。 现在的MCU设计和生产流程中都相继使用了纳米级的互补金属氧化物半导体（即CMOS）工艺，这种加工工艺制作出的芯片都具有功耗小的特点，应用这种工艺生产出的MCU充分发挥了其低功耗的特点。另外，现在的MCU系统中都设置有看门狗等节电系统，这样软硬件交叉火力，可以使MCU的功耗降至最低。 由于MCU在市场上的广泛普及，许多公司都把目光转向了与其配套的第三方软件开发，这些第三方公司提供的开发软件和工具
8、操作简单，适合初学者和中小型公司以及高校的技术研发。 由于MCU的设计和生产应用了先进的大规模集成电路技术，使其在大量生产时的硬件成本非常低，和其他设备相比，MCU的性能价格比具有相当的优势。13 MCU的分类MCU的种类有很多，根据其设计方法，可以分成通用型和专用型两种。通用型MCU的种类很多，例如大家熟知的AT89C51等，都是具有相类似的通用控制功能。通用型MCU的位数从4位到32位64位都有相应的应用领域。由于4位MCU的性能太低，所以基本已经淡出市场。8位MCU的硬件成本低、便于开发，并且其性能可以满足大多数的控制要求，所以目前8位MCU依然是市场的主流。而16位或者16位以上的MC
9、U处理数据的速度快，性能优秀、可靠，所以这些MCU主要被应用于军事、航天等高科技领域。专用型MCU，是为了某种特定的目的而设计的MCU。其主要的特点是体积相比于通用型MCU更小，功耗更低，可靠性及保密性都有增强。专用型MCU的应用领域主要包括智能仪表，家用电器，智能手机等。现在我国的MCU产业正值发展旺盛时期，更新换代速度非常快，相信在不久的将来，位数更高，运算速度更快，成本更低的新型MCU将会层出不穷。2 FPGA的基本原理21 EDA概述 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是以计算计算技术和微电子技术为先导的。它汇集了计算机图形学、拓
10、扑学、逻辑学、为电子工艺与结构学和计算机数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。在电子设计自动化出现之前，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作，这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘（photoplotter）的胶带。到了1970年代中期，开发人应尝试将整个设计过程自动化，而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。第一个电路布线、布局工具研发成功。EDA是在20世纪90年代初，从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，设计者在EDA软
11、件平台上用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动的完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA技术进行电子系统设计，具有如下特点：用软件的方式进行硬件设计、用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的、设计过程中可用有关软件进行各种仿真、系统可现场编程，在线升级、整个系统可集成在一个芯片上，体积小，功耗低，可靠性高。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。 EDA开发工具主要包括编辑器、仿真工具、检查/分析
12、工具和优化/综合工具等。其中，编辑器用来对设计输入进行图形或者文本等方面的编辑操作；仿真工具是用来完成设计仿真操作的EDA开发工具，主要包括逻辑仿真工具和时序仿真工具；检查/分析工具用来对设计的逻辑产生可能性、电路的电气特性以及时序关系等进行检查和分析；优化/综合工具用来把一种硬件描述转化为底层描述，在转化的过程中伴随着设计的某种优化。现在，高级的EDA开发工具都是一种集成的开发环境，即集成了上述的所有开发工具，这样就可以用一种集成开发环境来完成所有的设计工作。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前E
13、DA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。今天，EDA技术已经成为了电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的支持，都将是难以完成的。EDA工具已经成为了现代电路设计师的重要武器，正在发挥着愈来愈重要的作用。22 FPGA 的结构特点 作为一种可编程逻辑器件，FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列的出现是可编程逻辑器件发展变化的必然结果，它的出现推动着可编
14、程逻辑器件的进一步发展。 FPGA的电路结构基于查找表（Look Up Table，LUT）加寄存器的结构，由若干独立的可编程逻辑模块组成。FPGA的基本结构由可编程逻辑单元、可编程I/O单元和编程连线资源组成，如图2.1。由于这些模块的排列形式和门阵列（Gate Array）形式相似，所以被称为现场可编程门阵列。查找表本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用四输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的161的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等
15、于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。可编程连线资源可编程逻辑单元可编程I/O单元 图2.1 FPGA的可编程逻辑单元一般由查找表和寄存器构成。查找表结构的核心是1位SRAM，用1位SRAM存储一个N输入组合逻辑函数的真值表，其输出即为所期望的组合逻辑；可编程逻辑单元的寄存器可以配置为触发器或锁存器。因而，用查找表和寄存器的组合可以实现任意组合逻辑和时序逻辑的设计。 FPGA配置了丰富的连线资源，连线分布于FPGA内部所有单元。这些连线资源根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而被划分为不同的级别，分别是全局性的专用连线资源、长线连线资源，短线连线资源。除上述连线资源外，在基
16、本可编程逻辑单元内部，还有各种各样的连线资源和控制信号线。 FPGA的可编程I/O单元是用来实现可编程逻辑单元与I/O引脚的互连，以及不同电气特性下对输入/输出信号的驱动和匹配。FPGA的可编程I/O单元支持的电气连接有PCI、LVTTL、LVMOS、LVDS、SSTL、CTT、HSTL和LVPECL等。 除了上述构成FPGA基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在FPGA中还可能包含以下可选资源：存储器资源；数字时钟管理单元；算数运算单元以及一些特殊功能模块。23 FPGA 的设计方法及流程2.3.1 FPGA的设计方法 FPGA的设计方法包括“自顶向下”和“自下向上”。目前大规模FPGA设计一般采用“自顶向下”的设计方法。自顶向下的设计方法，就是设计者先从整体上设计整个系统的功能，
