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???? 引言

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　　微控制器在汽車和消費類市場上得到了廣泛應用，能夠以相對較低的成本實現系統高度集成。然而，這類產品也有潛在的成本問題。例如，如果元件功能不符合要求，就必須采用外部邏輯、軟件或者其他集成器件來進行擴展。而且，隨著最終市場需求的迅速變化，微控制器會很快過時。許多具有一定數量專用接口的特殊功能微控制器在經過短期試用后，并不能完全滿足市場需求。因此，系統供應商不得不重新設計硬件和軟件，甚至在某些情況下對處理器內核進行改動。

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　　ASSP微控制器面臨的兩難

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　　傳統微控制器生產商面臨影響整個市場的兩難問題。微控制器是專用產品，因此，對每一種應用，必須采用新的、不同特性的微控制器。為了能夠以一種微控制器內核結構來應對更廣闊的市場，生產商提供系列微控制器，其型號接口和功能各不相同。這些混合特性在很多時候并不能完全滿足用戶需求，因此，為了擴大客戶群，必須圍繞具體內核結構開發新的接口和功能。

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　　采用老技術以較低的生產成本來實現微控制器時，這種策略非常成功。然而，現在為提高系統集成而采用了最新的工藝技術，這樣，開發新型微控制器的成本大大增加了。只有很少的客戶有很大的產量需求，這表明專門針對一個客戶來生產這類專用器件并不是可行的商業行為。為此，新型微控制器趨向于標準產品而不是專用器件，以越來越多的功能，吸引整個市場。雖然這些附加特性使微控制器功能更強，但也大大提高了成本，使其更難應用于對成本敏感的市場，例如汽車和消費類行業。如果不從根本上著眼芯片功能，則很難解決這個問題。

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　　靈活的微控制器解決方案

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　　對該問題的解決方案之一是采用FPGA來靈活地實現芯片功能。這些器件大大縮短了工程開發時間，降低了芯片多次試制的成本，是微控制器有力的替代方案。在設計過程中，FPGA不像微控制器那樣會漏掉某些特性，它可以編程，并能根據需要進行改寫，快速完成原型開發，更迅速地將產品推向市場。如果需求變化，即使器件已經應用到產品中，還可以在現場對其進行更新。

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　　汽車系統圖像控制器應用就是FPGA優于傳統控制器的一個例子。盡管汽車市場需要低成本FPGA來實現圖像等各種功能，但要采用大量的芯片，因此，在可編程器件中實現復雜功能的成本太高。

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　　靈活的微控制器不但性價比好，而且非常切合用戶需求。其性價比之所以好，是因為采用了90nm結構化ASIC——如Altera HardCopy器件作為基本芯片，其功能在大量經過預定義和靈活的構建模塊庫中進行選擇，可以針對客戶需求進行定制。在開發過程中，HardCopy結構化ASIC與傳統的微控制器不同，它支持從原型FPGA到微控制器的無縫移植。CPU和總線體系結構都是靈活的微控制器方案所獨有的，可以針對專門的客戶應用，以合適的功能和特性映射到設計中。HardCopy系列的優點包括：

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　　芯片

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　　* 比FPGA快50％

　　* 內核功耗比FPGA低70％

　　* 管芯小60%至85％軟件
　
　　* 統一的FPGA和HardCopy設計環境

　　* 功耗和性能管理工具

　　* 價格低廉，使用方便封裝

　　* 與FPGA引腳至引腳兼容

　　* 低成本產品封裝

　　* 不需要重制電路板

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　　RISC CPU

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　　這一方案中使用的CPU是Altera Nios II嵌入式處理器，與一般情況不同，它并不固定在預定的芯片中，而是利用實際工具，根據系統體系結構的要求而自動生成，和整個電路需要的其他邏輯一起裝入FPGA中。這樣，可以根據專門應用，使用Altera的SOPC Builder工具對處理器內 核進行參數化設置，以占用最少的邏輯，實現最合適的功能。

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　　N ios II處理器采用標準RISC體系結構，具有單獨的地址總線和數據總線，都是32位寬。兩種總線通過單獨的緩沖進行工作，還可以在總線系統中進一步分開。最后，由系統設計人員確定代碼和數據是使用不同的存儲器，還是放在共享存儲器中。Nios II處理器含有每一處理器的大部分功能單元，設置決定其特性。例如，可以根據要求來選擇硬件乘法器、桶形移位寄存器和硬件除法器。指令和數據緩沖也是如此，其容量大小可以調整，也可以完全不用。

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　　總線體系結構

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　　傳統上，微控制器一直采用單總線，由仲裁器對總線監控，分配資源。這對總線而言非常不利，作為系統的中心資源，很快就成為瓶頸。因此，較新的系統采用了多層總線，特別是多條總線并行工作的SoC。Altera的Avalon總線結構工作原理相似，不同之處在于——其他多層總線中，層數都是固定不變的，而Avalon可以自由選擇所需要的層數。

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　　考慮到EMC和功耗問題，有時可以采用與系統其他部分運行速率不同的外圍模塊。當以更高的速率運行存儲器接口，訪問時間相對較短，而系統其他部分運行在較低時鐘速率時，這種方法比較適用。還可以將許多低時鐘速率模塊整合到一起。為滿足EMC或者功耗要求，使用SOPC Builder能夠輕松地將這些單元與其他運行速率很高的系統分開。這樣可以自動生成同步不同時鐘域所需的邏輯，而設計人員只需指定哪些模塊運行在給定的時鐘域上即可。

圖1 汽車信息娛樂平臺

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???? 在FPGA中實現微控制器

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　?? 由于這類系統要比簡單的圖像控制器復雜得多，在大多數情況下，

FPGA被用作原型開發工具。采用FPGA作為原型大大降低了開發風險，它可以進行全面的驗證、固件開發和現場測試。

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　 ? 使用FPGA進行原型開發意味著工程師可以在系統運行器件，在真實的環境中進行測試。這樣，工程師能夠確定仿真過程中難以發現的潛在設計缺陷。

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　　軟件開發已經是整個開發周期中的主要部分。軟件開 發需要大量的時間和資源，因此，原型系統能夠縮減整個開 發周期，發現瑕疵和兼容性問題。

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　　對系統進行現場測試有利于發現系統和器件缺陷，而這在實驗室中卻難以實現。在很多情況下，銷售人員為獲得訂單而有必要進行系統演示。對于最初的規范，還需要加入某些新特性和功能。不論是以前沒有發現的問題還是新加入的特性，FPGA原型開發都可以迅速進行修改，降低較大的一次性工程成本，令生產周期縮短。

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??? 靈活的微控制器解決方案中的最終單元是進行ASIC的開發。建立并測試原型系統后，將設計交給Altera，轉為HardCopy結構化ASIC。與其他的結構化ASIC不同，HardCopy器件使用和FPGA原型相同的 構建模塊，因此，不必重新對設計進行綜合，或者進行更多的驗證。使用HardCopy器件的周轉時間較短，設計人員可以很快地完成FPGA邏輯，盡可能地降低成本。

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????結論

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　　下一代汽車電子系統需要采用非常專業的低成本器件，以滿足市場需求。考慮到目前工藝技術開發成本的攀升，采用傳統微控制器有些不切實際，而針對較大市場范圍的多功能器件價格昂貴，也不適合。相反，靈活的微控制器方案針對具體應用開發合適的微控制器，在FPGA中實現原型開發。設計完成后，甚至是在設計過程中就可以立即進行驗證、軟件開發和現場測試。對于批量生產，FPGA設計直接映射到HardCopy結構化ASIC，而不用重新綜合或再次驗證。

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