以智能型混合信号FPGA开发真正符合需求的系统

文章摘要：在硅片上，除了ARM Cortex-M3内核，还有丰富的基于快闪的ProASIC 3 FPGA逻辑。此可编程逻辑可提供350MHz的系统效能；同时，SmartFusion系列器件最高可提供50万门的可编程逻辑和108KB的内建SRAM。基于快闪FPGA架构可完全免于由高能量辐射引发的固件错误(radiation-induced firm errors)，此现象有时会影响基于SRAM的器件，同时也是许多嵌入式系统设计人员的主要考虑因素。由于FPGA的配置是设定在快闪单元(flash cell)中(ARM内核可从片上闪存执行)，而整块芯片是上电即用，无须等待配置文件从ROM或EPROM加载的时间。

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　　在硅片上，除了ARM Cortex-M3内核，还有丰富的基于快闪的ProASIC 3 FPGA逻辑。此可编程逻辑可提供350MHz的系统效能；同时，SmartFusion系列器件最高可提供50万门的可编程逻辑和108KB的内建SRAM。基于快闪FPGA架构可完全免于由高能量辐射引发的固件错误(radiation-induced firm errors)，此现象有时会影响基于SRAM的器件，同时也是许多嵌入式系统设计人员的主要考虑因素。由于FPGA的配置是设定在快闪单元(flash cell)中(ARM内核可从片上闪存执行)，而整块芯片是上电即用，无须等待配置文件从ROM或EPROM加载的时间。此外，闪存也能允许用来进行现场升级，但是有时出于系统安全考虑，这种现场升级功能被取消。在编程结束之后，进一步存取配置存储器可被设置为永远停用。

　　在微控制器子系统内，有一个五层的ARM AHB总线矩阵架构，理论上共可提供片上每秒16GB/s的频宽。其*有五个功能可供设定为总线主控(master)：10/100 Ethernet MAC、DMA控制器和FPGA架构主控，另外两个来自Cortex-M3内核，而其他各种接口与存储模块则作为从属(slave)。

　　可编程模拟

　　SmartFusion器件的第三个重要元素是高电压双极模拟功能。为了正确获取来自应用程序的信号，SmartFusion器件最高可具备三个12位逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)，其最高执行速度为600ksps。每个ADC都有相对的第一阶(first-order)1位sigma-delta DAC，能提供500ksps更新与12位有效分辨率。多个模拟功能都集中在信号调节模块(signal conditioning block,SCB)中，其中包含准确高电压和电流.、温度.和高速比较器。此高压.，也称为有源双极预分压器(active bipolar prescalers,ABPS)，可提供-11.5V?+14V的电压监控能力。

　　此外，对系统管理或电源调节领域的设计人员来说，这也可作为绝佳的工具。器件中的电流.可放大从外部感测电阻测量到的电压降，而此感测电阻放置在应用的电流回路上，差分增益为50。温度.能把一个简单的PN结的电压降转换为温度读数。器件具备数量很多的片上比较器(在一50万门器件中最多有10个)，而且速度非常快，传送时间仅为50ns。

　　自主(Autonomous)模拟信号处理

　　前面提到的模拟功能只是SmartFusion混合信号FPGA中模拟处理性能的一部分。而模拟运算引擎(ACE)是一个全新的概念，这是一个半自主的功能模块，无须ARM Cortex-M3处理器的介入，便能够执行完整的模拟前/后处理，包括信号采集的采样和排序。

　　由于ARM Cortex-M3内核就在ACE附近，初看起来在ACE模块中加入这样的功能似乎是多余的。然而，半自主的ACE可减少处理器内核的日常任务，例如，信号采集、处理、存储和输出等工作完全无须通过Cortex-M3处理器就能完成。设计人员能以这种方式配置器件，以使Cortex-M3处理器不受其他影响地执行实时处理任务。

　　在一个电源管理的设计工作中，监测每一电压轨是否偏离正常值以及警告等工作都由ACE来执行，它还有可应付更复杂的任务的能力，包括滤波和线性转换等。它所处理的可编程模拟模块包括ADC、DAC、和SCB。注意，此模拟模块拥有与微控制器子系统和FPGA架构的丰富连接组合。这些元素中的每一项，不管是单独或作为一组功能模块，其互连和工作参数都是可完全编程的。

　　设计灵活性更上一层楼

　　对于SmartFusion而言，器件和其相关的设计工具都已准备就绪，因此不管是具备何种背景的工程师，都能充满信心地执行一个完整的设计。

　　当利用SmartFusion器件进行设计时，一种基于图形化用户界面(GUI-based)拖放的操作方式（drag-and-drop-style）可提供对完整预定义IP功能库的立即存取。对C语言和RTL程序代码开发人员来说，此工具套件可扩展他们的专业领域，因此芯片的资源能充分被使用。此设计工具可提供协作环境，让传统的设计团队能针对SmartFusion的不同领域共同合作。

　　设计安全性

　　在现有的基于快闪FPGA系列器件中，爱特已对可编程逻辑提供了增强的设计安全性。ARM公司愿意将其处理器内核的软件版本授权给爱特公司，并在其FPGA中实现，就可以证明对于此设计安全性的信心。一旦编程到阵列之中，黑客将难以从硅片中读取此内核的IP。现在，微控制器内核与FPGA架构在相同的硅片上，此保护也延伸到系统软件以及FPGA配置码。ARM Cortex-M3是一个硬核，因此现已不需要这样的保护形式。

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