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[導(dǎo)讀]FPGA問世已經(jīng)超過20年,現(xiàn)在FPGA在復(fù)雜邏輯電路以及數(shù)字信號處理領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色,SoC以其低功耗、高性能、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。不過,對于很多設(shè)計者來講這還是“新

FPGA問世已經(jīng)超過20年,現(xiàn)在FPGA在復(fù)雜邏輯電路以及數(shù)字信號處理領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色,SoC以其低功耗、高性能、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。不過,對于很多設(shè)計者來講這還是“新鮮事物”。學(xué)習(xí)并掌握一項新的技術(shù)或具備某種能力,比如學(xué)習(xí)FPGA開發(fā)技術(shù)并將其應(yīng)用到實際系統(tǒng)中,這是一項艱巨任務(wù)。Altium Designer 提供了一種簡單輕松的方法,可以幫助軟/硬件工程師共同應(yīng)對FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的挑戰(zhàn)。Altium designer擁有強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計功能以及非常便捷的設(shè)計流程,它在FPGA 及嵌入式智能方面有如下優(yōu)勢:

1) 完整功能、統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境

a) 簡單易用的FPGA設(shè)計工具鏈(包括原理圖和HDL語言混合編輯器、編譯器、綜合器和下載)

b) 完整的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境(包括編輯器、編譯器、生成器、連接器和調(diào)試器)

c) 創(chuàng)新性系統(tǒng)驗證平臺——NB2 (搭載了豐富的外圍接口板和可相互替換的FPGA子板)

2) 數(shù)字組合邏輯電路開發(fā)功能

a) 放置和連接預(yù)先綜合的器件

b) 電路原理圖和 HDL語言混合輸入方法

c) 豐富的虛擬儀器模塊

d) 高度抽象化的系統(tǒng)設(shè)計——OpenBus

e) 靈活的C語言到HDL語言轉(zhuǎn)換——CtoH

3) 嵌入式軟件設(shè)計功能

a) 專業(yè)的編碼環(huán)境

b) 獨(dú)立于處理器的 Viper C-編譯器

c) 目標(biāo)代碼自由的移植——DSF

d) 完整的源代碼級調(diào)試

4) 創(chuàng)新性系統(tǒng)驗證平臺NB2(實施并調(diào)試你的方案)

a) 獨(dú)立于FPGA廠商的子板

b) 靈活的外圍設(shè)備板

c) 實時調(diào)試和更新

d) 對產(chǎn)品板的持續(xù)研發(fā)

5) 設(shè)計實施模式間緊密結(jié)合

a) 設(shè)計移動到目標(biāo)硬件

b) PCB和FPGA間設(shè)計協(xié)同

接下來,我們將在Altium Designer平臺下,利用一個視頻捕獲輸出的實例去親身體驗如何輕松、便捷地實現(xiàn)FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。在這個例子中,我們將使用Altium Designer內(nèi)的幾個專門針對提高設(shè)計效率,簡便設(shè)計過程而開發(fā)的特定功能。它們包括:OpenBus系統(tǒng)開發(fā);FPGA項目的自動配置;處理器軟件架構(gòu)——DSF。

另外,本例中還將結(jié)合NB2的板級硬件資源,加快方案驗證和實施的過程;

* 復(fù)合視頻碼流輸入模塊(Composite video capture)

* 觸摸TFT顯示屏模塊(Touchscreen TFT display)

圖1是系統(tǒng)架構(gòu)示意圖,該系統(tǒng)可應(yīng)用于基于視頻捕獲和信號處理等設(shè)計領(lǐng)域。

 


圖1 系統(tǒng)方案示意圖。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計流程

傳統(tǒng)上,應(yīng)對包含F(xiàn)PGA器件設(shè)計和嵌入式軟件設(shè)計的系統(tǒng)開發(fā)流程需要經(jīng)歷三個階段(圖2)。

 


圖2 傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計流程

1、 FPGA設(shè)計;

2、 PCB設(shè)計;

3、 嵌入式軟件設(shè)計

每個階段相互銜接,逐次實現(xiàn);由于需要在設(shè)計初期完成元器件選型(包括FPGA器件和微處理器),因而必將降低整體方案實現(xiàn)的靈活性;對于設(shè)計后期可能在器件性能及功能擴(kuò)展等方面出現(xiàn)的問題,需要耗費(fèi)設(shè)計者更多的精力才可能彌補(bǔ),或者只能將現(xiàn)有方案推倒重來。

 


圖3、 創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計流程。

創(chuàng)新性的系統(tǒng)設(shè)計流程

運(yùn)用Altium Designer平臺實現(xiàn)FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,首先要為系統(tǒng)方案創(chuàng)建一個FPGA工程,并在工程內(nèi)添加源設(shè)計文檔。

在數(shù)字組合邏輯電路設(shè)計輸入方面,一個FPGA項目支持三種類型的輸入方法-原理圖、HDL (Verilog 或VHDL)以及OpenBus。另外還支持C代碼符號的輸入。你可以使用這些輸入方法的混合輸入,并使用層次原理圖所用到的符號方塊圖來對不同的輸入文檔進(jìn)行組合。對于FPGA項目,必須將原理圖做為頂層文檔,因為這是為了支持從FPGA到PCB移植以及同步。首先,創(chuàng)建一個原理圖文檔并添加到項目中去。如圖4所示。

 


圖4 FPGA項目以及新生成的文檔的項目面板

接下來,我們一同體驗OpenBus系統(tǒng)設(shè)計簡易、快捷的特性。OpenBus是一個進(jìn)行系統(tǒng)級FPGA設(shè)計的新方法。它提供了比原理圖更為簡單的界面,但是并不會因其簡單而丟失相應(yīng)的信息。由于它能自動考慮底層細(xì)節(jié),因而設(shè)計者只需著眼于頂層系統(tǒng)的設(shè)計以及主要元件的互連。而這些元件都是預(yù)先綜合過的、應(yīng)用于FPGA開發(fā)的IP元件。

 


圖5 OpenBus面板

在Altium Designer平臺中OpenBus文件編輯環(huán)境下(如圖5所示),你將開始親身體驗如何輕松、便捷地實現(xiàn)FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。如圖6所示,整體方案的實現(xiàn)與我們對方案規(guī)劃設(shè)計時,描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架非常相似。依據(jù)實現(xiàn)方案所需用到的功能單元,諸如:32位微處理器、視頻輸入控制模塊、TFT顯示屏控制模塊、I2C控制模塊(用于操作視頻流數(shù)據(jù)輸入處理器件的控制寄存器單元)、IP內(nèi)核互連模塊、SRAM控制模塊和總線仲裁模塊,從OpenBus 器件列表欄中逐一放置到當(dāng)前編輯文檔內(nèi),并完成連接。

 


圖6 完成的OpenBus設(shè)計

隨后,還需要為包括SRAM控制器、總線仲裁器、IP內(nèi)核互連器和微處理器等OpenBus元件配置應(yīng)用參數(shù)。Altium Designer支持獨(dú)立于FPGA器件原廠商的設(shè)計。也就是說,你可以重新綁定你的設(shè)計到另外一個廠商的另外一塊FPGA芯片。這種移植過程可以通過 Altium Designer的配置管理器(configuration management)輕易實現(xiàn)。如圖7所示,不同的配置文件以及約束文件可以重新綁定設(shè)計到不同的FPGA芯片。

 


圖7 添加約束文件到配置管理器

至此,你已經(jīng)為你的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方案搭建好了完整的應(yīng)用平臺。最后,你還需要為系統(tǒng)添加嵌入式智能控制軟件,最終完成FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。 Altium Designer平臺下的嵌入式軟件開發(fā)功能將幫你輕松應(yīng)對軟件設(shè)計中所遇到的任何挑戰(zhàn);一個嵌入式項目可以獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā),但是最終需要這些代碼在目標(biāo)處理器中運(yùn)行。Altium Designer給你簡便的方法,將你的嵌入式項目連接到包含有嵌入式處理器核的FPGA項目中去。

本實例中的處理器核即為OpenBus文檔中用的32位處理器核TSK3000A_1。左鍵點(diǎn)擊并拖動嵌入式項目到上面的FPGA項目。并將嵌入式項目丟在TSK3000A_1 處理器核上(FPGA項目中的處理器核會自動高亮)。如圖8所示。在你連接好這兩個項目之后,一個新的C頭文件會自動添加到嵌入式項目中去。這個頭文件 hardware.h由FPGA項目編譯的時候自動產(chǎn)生。當(dāng)完成了嵌入式軟件代碼的開發(fā)后,你就可以在NB2平臺下,實時現(xiàn)場調(diào)試和驗證你的設(shè)計方案。正如本篇開始的系統(tǒng)構(gòu)造示意圖所示,你可以將攝像頭所捕獲的視頻信號呈現(xiàn)在TFT顯示屏上。

 


圖8 鏈接嵌入式項目到處理器核

如果你還想增強(qiáng)系統(tǒng)處理視頻碼流的性能,使得視頻圖片可以在TFT顯示屏上快速縮放以及旋轉(zhuǎn),那么需要用到Altium Designer的C-to-hardware轉(zhuǎn)換功能CHC。另外在上述的OpenBus文件里需要使用特殊應(yīng)用處理器 ASP元件。由于使用了C-to-hardware功能,你可以決定哪些C代碼函數(shù)需要用數(shù)字組合邏輯功能實現(xiàn),哪些用微處理器實現(xiàn)。由于采用了硬件來實現(xiàn)矢量圖形的縮放功能,因而相對于軟件實現(xiàn)將更加快速。這方面可以在本實例中進(jìn)行試驗驗證。

在FPGA設(shè)計完成之后,Altium Designer還提供一個快捷的方法,可將FPGA項目直接轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的PCB項目,并進(jìn)行項目之間數(shù)據(jù)的同步更新??傊珹ltium Designer在FPGA以及SOPC方面提供了強(qiáng)大且便捷好用的功能,包括統(tǒng)一、完整的設(shè)計環(huán)境;多種設(shè)計輸入方式;獨(dú)立于處理器的靈活代碼;C- to-hardware;可重構(gòu)的驗證平臺;獨(dú)立于FPGA原廠商的設(shè)計;設(shè)計仿真;虛擬儀器及LiveDesign交互式調(diào)試,以及方便快捷的FPGA 項目到PCB項目數(shù)據(jù)同步功能。這些強(qiáng)大的軟件功能連同可重構(gòu)的系統(tǒng)驗證平臺NB2一起為你提供了一個功能強(qiáng)大的創(chuàng)新平臺,在這個創(chuàng)新平臺上,設(shè)計者可以盡情放飛設(shè)計靈感,來創(chuàng)造更有價值的設(shè)計。

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