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答“在我的嵌入式设计中，怎样使用FPGA?”

发布人：HXW718059156 时间：2011-09-14 来源：工程师

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从本周二开始，受Jack-Wang之邀，担任EEPW论坛嵌入式系统设计和ARM开发两个版块的版主，今天在论坛里面网友戴为亚为提了这么一个问题：“在我的嵌入式设计中，怎样使用FPGA?”，我到觉得这个问题应该问成：在FPGA中，怎么实现嵌入式系统更为恰当些。这里给出我的回复如下：
曾经的FPGA由于逻辑资源有限，仅用于IO胶合以及一些简单的逻辑功能实现，代替以往的74系列和4000系列IC，以节省PCB面积和布线麻烦，缩小产品面积，提高系统的抗干扰性和可靠性，其最大的优势在于灵活，可编程。
而今的FPGA，随着半导体工艺的不断进步和发展，已进入了亚微米时代，FPGA片上集成了上千万逻辑门的可编程逻辑资源。主要包括查找表（LUT）、寄存器（DF，FF），可编程互连IO块、块RAM（单端口/双端口RAM）、嵌入式IP软核或硬核、硬件乘法器、硬件DSP单元等。现在最先进的FPGA技术为Xilinx28纳米工艺的Zynq-7000 系列FPGA，其内嵌ARM Cortex-A9 MPCore双核处理器和AMBA片上总线，功能十分强劲。

现在最大的两家FPGA生产厂商是Xilinx（赛灵思）和Altera，它们都针对嵌入式市场推出了自己相应的嵌入式IP软核或硬核，前者的软核包括PicoBlaze（8位，44MIPS,比较古老了）和MicroBlaze（32位，性能高达300MIPS，视具体的软核版本和器件系列而定，所有Xilinx的FPGA都可以嵌入实现），硬核包括PowerPC（仅Virtex系列支持）和Cortex-A9 MPCore（仅最新Zynq-7000系列）处理器，其相应的开发软件为EDK，包含Xilinx Platform Studio（XPS，硬件搭建和简易代码编写编译环境）和Xilinx Platform Studio SDK（高级软件开发环境，支持操作系统调试）；后者（Altera）的软核为NIOS-II（32位RSIC处理器，有硬件加速功能，能够实现用户自定义指令，处理能力同样视具体的FPGA器件系列而定，最高达近300MIPS。2000年刚推出时为16位RSIC，也是业界首款FPGA嵌入式处理器），相应的软件开发环境为SOPC Builder（硬件定制搭建软件）和Nios II IDE集成软件开发环境（自带可选的uCOS-II操作系统，省去了大量的操作系统移植工作），而其硬核则包括ARM Cortex M1和MIPS处理器。

前面，大概介绍了一下FPGA的发展现状和FPGA嵌入式处理器的发展情况。接着说一下，FPGA中嵌入式系统的实现和学习方法。

一般的FPGA嵌入式系统都会包括一个处理器（无论硬核还是软核），由相应的硬件搭建软件实现系统的MCU和外设（IP）定制，然后由相应的逻辑设计工具综合生产系统硬件（这里用户可以加入自己用FPGA逻辑资源实现的任何功能单元或个性化外设），接着，根据综合的结果，即可在相应的软件编译环境中进行C语言的嵌入式系统代码设计，最终编译得到C语言可执行代码（elf或HEX或bin文件），最后由专门的软件工具将硬件逻辑设计比特流文件和C语言编译得到的可执行文件综合在一起，下载到FPGA硬件，实现调试，总体说来，设计流程还算简单，只是EDA工具编译的时间有点长（因为一旦涉及硬件部分的更改，需要重新编译综合逻辑设计部分）。

关于FPGA中的嵌入式系统设计的学习，个人觉得需要有几个基础：首先要有FPGA逻辑设计的基础，了解FPGA原理，熟悉FPGA开发的逻辑设计EDA工具（比如说Quartus II和ISE）的使用，懂得硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）；其次，要有C语言基础，学过单片机（比如51单片机），对MCU的工作原理及编程，编译器工作原理有所了解（当然，了解脚本语言，链接文件，makefile以及GNU工具链的使用更佳），再者，想要深入这一领域，需要具备操作系统相关的基础，比如说学过简单操作系统uCOS-II、VXWorks等，更高级的包括uCLinux和Linux嵌入式操作系统。

不具备以上条件者，贸然开始FPGA中的嵌入式系统设计，会被遇到的巨大困难所吓退，甚至失去最初的兴趣，因为，这个FPGA中的嵌入式系统还是很复杂的，牵涉的知识面比较广，软硬件都要懂，很容易遇到各种各样的麻烦问题。

从现在的发展来看，在FPGA中实现嵌入式系统尤其相对于其他DSP和MCU实现的嵌入式系统有着明显的优势，其发展前途不可估量，因为随着技术的不断发展，一方面可以在海量的逻辑资源上灵活的实现并行的DSP处理和人性化外设以及特殊指令，硬件加速等；另一方面，很多EDA软件厂商看中这样巨大潜力市场，纷纷投入到FPGA中嵌入式系统软件的研发上来，可以预见，今后的FPGA嵌入式系统开发软件环境将变得越来越高效，实用。

在这里，我给即将开始这一学习历程的同学们提个醒：路漫漫其修远兮，欲将其精通，需韧心耐性，甘于寂寞，不懂的多上google百度，勤思考，多动手，千万不要怕麻烦（PS，我个人也是从菜鸟走过来的人，懂得专研精神和保持兴趣的重要性）。

                 最后，预祝大家学习愉快~！
       （注：以上仅个人见解，不当之处难免，若有不对的地方，敬请指出，也欢迎大家积极在我负责的两个论坛版块里提问，我很乐意与大家一起学习和分享自己的经验。）

                                                                                    胡恩伟
                                                                           2011年9月14日晚
                                                                      于重庆大学主教2601实验室

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