摘 要：介绍FPGA的特点及开发过程，阐述了其与单片机和DSP相结合的技术。<!--摘要CH(结束)←--><!--→关键CH(开始)-->
关键词：单片机；数字信号处理器；现场可编程门阵列
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<!--关键EN(结束)←-->1 FPGA概述
1．1 FPGA的基本结构
FPGA是高密度的PLD，其集成度可达3万门／片以上。图1是Xilinx公司的FPGA，它由三种编程单元和一个用于存放编程数据的静态存储器构成。这三种可编程单元是IOB（Input／Output Block可编程输入／输出单元），CLB（Configurable Logic Block可编程逻辑单元）和IR（Interconnect Resource互连资源）。它们的工作状态全部由编程存储器中的数据设定。CLB提供用 户所需要的逻辑功能。由于这三部分都是可编程的，所以改变芯片的功能除了靠改变各CLB之间的连接，也可以通过改变各个CLB所实现的逻辑功能来完成。 FPGA中的编程信息将存储在专用的静态RAM中；RAM触发器的每一位，存储一个编程信息。系统上电时，编程信息就由外部传入到这些存储单元中， FPGA就可以按照这些信息来形成内部的构造和连接，以实现所需要的功能。
1．2 FPGA编程开发
FPGA中有大量实现组合逻辑的资源，可以完成较大规模的组合逻辑电路设计，而其中相当数量的存储电路（触发器）又可完成复杂的时序逻辑电路设计。通过使用各种EDA工具，用原理图或硬件描述语言，可以很方便地将复杂的电路在FPGA中实现。像典型的数字系统分频器，数字钟，数字频率计等等都可用 FPGA完成。
FPGA的开发系统包括软件和硬件两个部分。开发系统软件指专用的编程语言和相应的汇编程序或编译程序。开发系统硬件部分包括计算机和编程器。编程器是对FPGA进行写入和擦除的专用装置，能够提供写入或擦除操作所需要的电源电压和控制信号，并通过串行接口从计算机接收编程数据，最终写进FPGA之中。
90年代初Lattice首先推出了一种新型可编程逻辑器件———ISP—PLD（In－SystemProgrammable PLD在系统可编程逻辑器件），将原属于编程器的写入／擦除控制电路及高压脉冲发生电路集成于FPGA中，这样，在编程时就不必使用编程器，而且由于只需外加5V电压，所以不必将FPGA从系统中取出，从而实现“在系统”编程。
FPGA设计主要分为设计输入、综合、功能仿真（前仿真）、设计实现、时序仿真（后仿真）、配置下载六个步骤。设计输入包括硬件描述语言HDL、状态图与原理图三种方式。对于简单的设计，可以使用原理图或A－BEL进行设计；对于较复杂的设计，可以用行为描述语言（如VHDL语言）和原理图或二者结合进行设计。功能仿真用来验证设计的逻辑功能；在设计的过程中，对部分功能或整个设计均可进行仿真。设计实现是指从设计输入文件到位流文件（只对FPGA而言）。在该过程中，经软件自动地对设计文件进行映射、布局、布线，产生相应的位流数据文件。时序仿真是在设计实现后，针对器件的布局、布线方案进行时延仿真和分析定时关系。
2 FPGA与单片机
FPGA等大规模可编程逻辑器件可以取代现有的全部微机接口芯片，实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能。利用FPGA可以把多个微机系统的功能电路集成在一块芯片上。
在功能上，单片机与FPGA有很强的互补性，单片机具有性能价格比高、功能灵活、易于人机对话以及良好的数据处理等特点，而FPGA具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等优点。单片机可用总线方式和独立方式与FPGA接口。由于其通信工作时序是纯硬件行为，对于MCS－51单片机，只需一条单指令就能够完成所需读写时序，也就是最常用的MOV＠DPTR，A和MOVA，＠DPTR。另外，在FPGA中通过逻辑切换，可使单片机与SRAM或ROM接口，这种方式类似于微处理器系统的DMA工作方式，首先由FPGA与接口的A／D等器件进行高速数据采样，并将数据暂存于SRAM中，采样结束后，通过切换，单片机可以与SRAM以总线方式进行数据通信。
目前许多实验电路板都将FPGA与单片机有机地结合在一起，从而可以完成许多复杂的设计任务。通常单片机负责键控、显示、计算、通信、简单控制和系统协调，而FPGA负责高速、高精度和高稳定性等指标的实现，也就是说，由单片机负责功能上的设计，FPGA负责指标上的设计。图2就是一个典型的单片机与 FPGA通信的例子，通过EDA设计（原理图或硬件描述语言）和单片机汇编语言或C语言的设计，由PC机发命令码给FPGA，并将FPGA系统上测得的频率显示在PC机的屏幕上。这里的单片机起的是通信桥梁作用。
3 FPGA与DSP
数字信号处理（DSP）在许多领域有着广泛的用途，如雷达、图像处理、数据压缩、数字电视和数字通信机等。一般情况下，采取两种方案进行数字信号系统的设计，一种是用固定功能的DSP器件或FPGA器件，另一种是采用DSP处理器，如TMS320微处理器。
两种方法中，固定的DSP器件或FPGA器件可以提供很好的实时性能，但其灵活性较差，不适合在实验室或技术开发环境中的应用；DSP成本低且速度较快，但由于软件算法在执行时的顺序性，限制了它在高速和实时系统中的应用。目前，大规模可编程逻辑器件为数字信号处理提供了第三种解决方案，FPGA与DSP 相结合，能够在集成度、速度和系统功能方面满足DSP应用的需要。由于FPGA器件内部提供了RAM，双口RAM和FIFO—RAM，所以利用FPGA设计DSP系统，同时具备DSP处理器的灵活性和固定功能的DSP芯片的实时性。
3．1 DSP的特点及其与FPGA相比的优劣
DSP是一种具有特殊结构的微处理器。其内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。DSP适用于条件进程，特别是较复杂的多算法任务。在运算上，它受制于时钟频率，而且每个时钟周期所做的有用操作的数目也受到限制。从效果上看，采用DSP软件更新速度快，可靠性、通用性和灵活性都很强，但DSP受到串行指令流的限制。
FPGA当中有很多自由的门，将这些自由的门连接起来可以形成乘法器、寄存器以及地址发生器等等。这些只要在框图级完成，许多块可以从简单的门到FIR（有限冲激响应）和FFT（快速傅立叶变换）在很高的级别完成。但它的性能受门数及运算速度的限制。
超过几MHz取样率，一个DSP仅仅能完成对数据非常简单的运算，而这样简单的运算用FPGA将很容易实现，并能达到很高的取样速率。在比较低的取样速率时，整体上很复杂的程序可以使用DSP，而这对于FPGA是很困难的。
在实时视频处理的应用中，由于其对系统要求极高，只具备简单功能的DSP无法完成。而FPGA利用并行处理技术实现视频处理算法，并且只需单个器件就能完成期望的性能。在中值滤波器的应用中，DSP处理器需要67个周期执行算法，而FPGA只需工作在25MHz频率下，因为FPGA能并行实现该功能，实现上述功能的DSP必须工作在1．5GHz频率下。在此应用中，FPGA解决方案的处理能力可达到100MHzDSP处理器的17倍。
3．2 FPGA＋DSP方案的运用
上面提到，运用DSP受到串行指令流的限制，而利用FPGA的算术逻辑单元与外部存储器相结合，可以解决线路板面积有限和有些数据处理需要大量存储空间的矛盾；利用FPGA并行流水的特点解决了数据实时处理和有限DSP处理速度之间的矛盾，而FPGA运行模式的控制和接收上位机的命令、向上位机输出目标数据的工作由DSP来完成，从而达到了系统的最佳配置。图3是FPGA＋DSP结构典型的例子。
FPGA＋DSP的最大特点是结构灵活，有很强的通用性，适用于模块化设计，从而能够提高算法的效率；又由于其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适用于实时信号处理。在实时信号处理中，低层信号预处理算法所处理的数据量大，对处理的速度要求高，但运算结构相对比较简单，适用于FPGA硬件实现，这样同时兼顾速度和灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适用于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP 芯片来实现。
应用将一些能实现基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入FPGA的芯片是数字电路设计的一个趋势。有些公司已经计划把基于ASIC的微处理器或DSP 芯核与可编程逻辑阵列集成在一块芯片上。FPGA提供的性能已经超过1280亿MAC／s（乘法累加运算／秒），大大高于传统的DSP性能。 QuickLogic公司推出的QuickDSP系列，提供了嵌入式DSP构件块和可编程逻辑器件。除了以前的可编程逻辑和存储模块，还包括专用的乘加模块；这些合成的模块可以实现DSP功能。
[此贴子已经被作者于2010-11-17 11:59:54编辑过]
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Post By：2010-11-12 14:22:05
