1 概述

　　1.1 FPGA的特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)

　　嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)面向應(yīng)用、技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不可壟斷的產(chǎn)業(yè)，隨著各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的多樣化，嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)和芯片技術(shù)也經(jīng)歷著一次又一次的革新。雖然ASIC的成本很低，但設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、投入費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)較大，而可編程邏輯器件（Programmable Logical Device）設(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大，尤其是高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array）其設(shè)計(jì)性能已完全能夠與ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能價(jià)格比已足以與ASIC抗衡。因此，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

　　FPGA的基本結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

　　Ø 可編程邏輯功能模塊CLB（Configurable Logic Blocks）

　　Ø 可編程輸入輸出模塊IOB（Input/Output Blocks）

　　Ø 可編程內(nèi)部互連資源PI（Programmable Interconnection）

　　隨著工藝的進(jìn)步和應(yīng)用系統(tǒng)需求

，一般在FPGA中還包含以下可選資源：

　　Ø 存儲(chǔ)器資源（Block RAM和Select RAM）

　　Ø 數(shù)字時(shí)鐘管理單元（分頻/倍頻、數(shù)字延遲）

　　Ø I/O多電平標(biāo)準(zhǔn)兼容（Select I/O）

　　Ø 算數(shù)運(yùn)算單元（乘法器、加法器）

　　Ø 特殊功能模塊（MAC等硬IP核）

　　Ø 微處理器（PPC405等硬處理器）

　　以FPGA為核心的PLD產(chǎn)品是近幾年集成電路中發(fā)展得最快的產(chǎn)品。隨著FPGA性能的高速發(fā)展和設(shè)計(jì)人員自身能力的提高，F(xiàn)PGA將進(jìn)一步擴(kuò)大可編程芯片的領(lǐng)地，將復(fù)雜專用芯片擠向高端和超復(fù)雜應(yīng)用。目前FPGA的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　Ø 向更高密度、更大容量的千萬(wàn)門系統(tǒng)級(jí)方向邁進(jìn)

　　Ø 向低成本、低電壓、微功耗、微封裝和綠色化發(fā)展

　　Ø IP資源復(fù)用理念將得到普遍認(rèn)同并成為主要設(shè)計(jì)方式

　　Ø MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP將成為FPGA應(yīng)用的核心

　　隨著處理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之間的界限將越來(lái)越模糊，未來(lái)的某些電路版上可能只有這兩部分電路：模擬部分（包括電源）和一塊FPGA芯片，最多還有一些大容量的存儲(chǔ)器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro及其相關(guān)IP Core的推出，使我們有理由相信，可編程片上系統(tǒng)（System on Programmable Chip）的時(shí)代已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了。

　　1.2可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的基本特征

　　可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

　　SOPC結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：

　　Ø 至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核

　　Ø 具有小容量片內(nèi)高速RAM資源

　　Ø 豐富的IP Core資源可供選擇

　　Ø 足夠的片上可編程邏輯資源

　　Ø 處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口

　　Ø 可能包含部分可編程模擬電路

　　Ø 單芯片、低功耗、微封裝

　　SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而B(niǎo)GA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。

　　2 IP資源復(fù)用理念與IP Core設(shè)計(jì)

　　2.1 IP資源復(fù)用理念

　　由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和產(chǎn)品面市時(shí)間對(duì)于保證終端市場(chǎng)的成功率至關(guān)重要，設(shè)計(jì)師不斷尋求縮短設(shè)計(jì)周期的方法，以及更有效的設(shè)計(jì)方式。隨著我們步入系統(tǒng)級(jí)芯片時(shí)代，利用IP內(nèi)核和可編程邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)用顯得日趨重要。　　

　　IP資源復(fù)用（IP Reuse）是指在集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)繼承、共享或購(gòu)買所需的智力產(chǎn)權(quán)內(nèi)核，然后再利用EDA工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和驗(yàn)證，從而加速流片設(shè)計(jì)過(guò)程，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。IP Reuse已逐漸成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的重要手段，在日新月異的各種應(yīng)用需求面前，超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)時(shí)代正步入一個(gè)IP整合的時(shí)代。

　　IP Reuse不僅僅應(yīng)用于專用集成電路設(shè)計(jì)，對(duì)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域而言，更是具有舉足輕重的地位。FPGA在采用IP內(nèi)核方面走在了市場(chǎng)的前面，其原因有以下幾個(gè)方面：

　　Ø FPGA具有極高的靈活性和面市時(shí)間短的特點(diǎn)，這使得多項(xiàng)設(shè)計(jì)迭代可以在數(shù)小時(shí)而不是數(shù)周內(nèi)完成

　　Ø 由于FPGA密度達(dá)到了百萬(wàn)門甚至是千萬(wàn)門，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師傾向于使用IP內(nèi)核保持和提高產(chǎn)品的產(chǎn)量

　　Ø 可編程邏輯價(jià)格低廉，可以作為切實(shí)可行的生產(chǎn)工具以及最佳原型設(shè)計(jì)，而且不許要昂貴的EDA設(shè)計(jì)工具，大大降低了設(shè)計(jì)門檻

　　2.2 IP Core設(shè)計(jì)方法：編碼風(fēng)格與項(xiàng)目模板

　　IP Cor

e是IP Reuse的載體和核心內(nèi)容，基于應(yīng)用需求、規(guī)范協(xié)議和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同，IP Core的內(nèi)容也是千差萬(wàn)別的。但是，為了使IP Core易于訪問(wèn)和易于集成，其設(shè)計(jì)必須遵循一定的規(guī)范和準(zhǔn)則。

　　在IP Core的開(kāi)發(fā)方面，許多開(kāi)放性的團(tuán)體都付出了巨大的努力來(lái)推動(dòng)各種IP Core的開(kāi)發(fā)和IP Reuse理念的推廣，其中比較著名的是Open Cores開(kāi)發(fā)組織(http://www.opencores.org)。他們不僅開(kāi)發(fā)了許多開(kāi)放源代碼的IP Core，涵蓋了處理器IP、處理器外設(shè)控制器IP、算術(shù)運(yùn)算單元IP、DSP算法IP等方面，而且編寫了詳細(xì)的IP Core編碼風(fēng)格和項(xiàng)目模板，并倡導(dǎo)了一種總線標(biāo)準(zhǔn)wishbone，用于規(guī)范各種IP Core的接口標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)開(kāi)放性團(tuán)體IP Core開(kāi)發(fā)小組(http://www.IPcore.com.cn)也在IP Core開(kāi)發(fā)和IP Reuse理念的推廣和普及方面進(jìn)行了不懈的努力。

　　編碼風(fēng)格（Coding Style）是基于HDL的IP Core源碼編寫的指導(dǎo)性文檔，其可讀性直接關(guān)系到IP Core的易于訪問(wèn)和易于集成性。編碼風(fēng)格一般包含幾個(gè)方面的約定：文件頭和版本說(shuō)明、聯(lián)機(jī)注釋、命名規(guī)則、可綜合編碼等。

　　項(xiàng)目模板則規(guī)定了完成一個(gè)IP Core設(shè)計(jì)包含的主要內(nèi)容及所需提供的文檔，項(xiàng)目模板內(nèi)容及其文檔直接關(guān)系到IP Core的易于集成特性，一個(gè)IP Core必須是完整的、經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證的，才能順利地集成到應(yīng)用項(xiàng)目中去。項(xiàng)目模板一般包含幾個(gè)方面的內(nèi)容：項(xiàng)目定義、接口說(shuō)明、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊、設(shè)計(jì)文檔說(shuō)明、測(cè)試驗(yàn)證報(bào)告、約束和實(shí)現(xiàn)、版本說(shuō)明、試用評(píng)價(jià)以及參考文獻(xiàn)等。

　　編碼風(fēng)格和項(xiàng)目模板詳細(xì)文檔的英文版和中文版可分別從上述兩個(gè)網(wǎng)站獲得。

　　2.3 IP Core驗(yàn)證：仿真、測(cè)試與評(píng)估板

　　IP Core設(shè)計(jì)在完成編碼階段以后，對(duì)其功能的測(cè)試驗(yàn)證是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，因?yàn)檫@直接關(guān)系到IP Core資源的可用性。僅僅通過(guò)功能仿真、時(shí)序仿真和測(cè)試向量驗(yàn)證的IP Core是不完備的，它必須通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證。國(guó)際上各大公司通常采用的辦法是評(píng)估板驗(yàn)證，也即構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)IP Core應(yīng)用一致的硬件環(huán)境，通過(guò)下載FPGA配置使其具備相應(yīng)的邏輯功能，并進(jìn)行實(shí)物仿真。

　　另外，由于IP Core的許可成本較高，用戶也通常希望在購(gòu)買IP Core之前，對(duì)其功能進(jìn)行充分的驗(yàn)證以確定是否適合于目標(biāo)系統(tǒng)，從而降低投資風(fēng)險(xiǎn)，（當(dāng)然，內(nèi)核和源代碼的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是加了保護(hù)措施的），Xilinx公司的Sing Once和Altera公司的Open Core均提供了這樣的平臺(tái)。

　　Xilinx公司和Altera公司均提供了許多用于評(píng)估IP Core的FPGA評(píng)估板，如USB、MAC、IEEE1394等等。許多第三方設(shè)計(jì)中心，如Insight，還開(kāi)發(fā)了用于SOPC系統(tǒng)集成的Virtex II MicroBlaze評(píng)估板和Virtex II Pro PPC405評(píng)估板等等。Xilinx FPGA的國(guó)內(nèi)專業(yè)設(shè)計(jì)公司長(zhǎng)沙依元素科技(http://www.eestd.com)還開(kāi)發(fā)了用于測(cè)評(píng)各類基本IP Core以及學(xué)習(xí)培訓(xùn)用途的數(shù)字刀劍®系列 (DigitalSword® Series Kit)評(píng)估板，如圖1所示，該系列評(píng)估板提供了VGA、LCD、音頻、鍵盤鼠標(biāo)、串口、并口、USB Slave、I2C等電平接口，并提供了標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展總線以及豐富的子板功能模塊支持。

　　圖1(a) 數(shù)字刀劍®系列之火龍刀
 

　　圖1(b) 數(shù)字刀劍®系列FPGA評(píng)估板結(jié)構(gòu)框圖 
 

 
       3 基于Xilinx FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　

　　3.1 FPGA基本開(kāi)發(fā)流程與開(kāi)發(fā)工具

　　FPGA基本開(kāi)發(fā)流程主要包括設(shè)計(jì)輸入（Design Entry）；設(shè)計(jì)仿真（Simulation）；設(shè)計(jì)綜合（Synthesize）；布局布線（Place & Route）；配置（Configuration）五個(gè)主要步驟。

　　設(shè)計(jì)輸入主要有原理圖輸入和HDL輸入兩種方式，一般開(kāi)發(fā)商都同時(shí)支持兩種輸入方式。有些熟悉硬件設(shè)計(jì)的工程師開(kāi)始喜歡利用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方法非常直觀，但基于可移植性和規(guī)范化方面的考慮，絕大部分深入FPGA設(shè)計(jì)和ASIC設(shè)計(jì)的工程師最終都將統(tǒng)一到HDL平臺(tái)上來(lái)。

　　設(shè)計(jì)仿真包含功能仿真和時(shí)序仿真兩項(xiàng)主要內(nèi)容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導(dǎo)致的時(shí)延等因素，僅僅從邏輯上進(jìn)行仿真，這對(duì)設(shè)計(jì)思路的驗(yàn)證是有幫助的，但必須通過(guò)時(shí)序仿真作進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并修正時(shí)序問(wèn)題。

　　設(shè)計(jì)綜合將HDL語(yǔ)言生成用于布局布線的網(wǎng)表和相應(yīng)的約束。綜合效果直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)的性能和邏輯門的利用效率，因此，許多可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)商都

支持第三方綜合和仿真工具，著名的有：Synplicity、Synopsys和ModelSim等。

　　布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行布局布線，并生成可用于配置的比特流文件。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關(guān)，一般由可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)商直接提供。

　　隨著可編程邏輯器件容量的不斷增大和設(shè)計(jì)性能要求的不斷提高，對(duì)傳統(tǒng)的FPGA開(kāi)發(fā)工具提出了挑戰(zhàn)。以Xilinx公司為例，應(yīng)IP Core開(kāi)發(fā)和集成的需要，開(kāi)發(fā)了IP Core使用工具Core Generator和IP Core包裝工具IP Capture；提供了模塊化設(shè)計(jì)工具M(jìn)odular Design用于超大規(guī)模設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)；用片內(nèi)邏輯分析儀ChipScope ILA進(jìn)行片內(nèi)邏輯調(diào)試；Xpower則用于設(shè)計(jì)功耗分析并得出相應(yīng)的解決方案；還有System Generator結(jié)合Simulink甚至可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理模型（如FIR濾波器和FFT等）的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。此外，一些有爭(zhēng)議的設(shè)計(jì)工具，如基于C語(yǔ)言的FPGA開(kāi)發(fā)工具DK1等為超大容量FPGA設(shè)計(jì)和復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)提供了值得嘗試的途徑。

　　3.2 處理器IP Core：Micro Blaze與PPC405

　　將處理器IP Core嵌入到可編程邏輯器件是基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件，目前，國(guó)內(nèi)外許多單位已成功的將51單片機(jī)、ARM和PPC等處理器內(nèi)核嵌入各種可編程邏輯器件并進(jìn)行了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中最著名的要數(shù)Xilinx公司的Micro Blaze和Altera公司的Nois了。Xilinx從Pico Blaze到Micro Blaze，再到PPC405，完成了從8位單片機(jī)到32位微處理器的逐步完善和性能提升。

　　Micro Blaze 是一個(gè)專門為Xilinx FPGA優(yōu)化的RISC嵌入式軟處理器，符合IBM Core Connect標(biāo)準(zhǔn)，能夠與PPC405系統(tǒng)無(wú)縫連接，Micro Blaze軟處理器內(nèi)核的結(jié)構(gòu)如圖2所示，

　　圖2 Micro Blaze IP Core結(jié)構(gòu)框圖

　　它具備以下基本特征：

　　Ø 32個(gè)32bit通用寄存器

　　Ø 硬件乘法器(僅限Virtex II系列)

　　Ø 32bit地址總線和32bit數(shù)據(jù)總線

　　Ø 三操作數(shù)32bit指令字，兩種尋址模式

　　Ø 獨(dú)立的片內(nèi)程序32bit總線和數(shù)據(jù)總線

　　Ø 片內(nèi)總線遵循OPB(On-chip Peripheral Bus)標(biāo)準(zhǔn)

　　Ø 通過(guò)LMB(Local Memory Bus)訪問(wèn)片內(nèi)Block RAM

　　Micro Blaze是一個(gè)非常簡(jiǎn)化，但有具有較高性能的軟處理器內(nèi)核，他可以在性價(jià)比很高的Spartan II(-E)系列FPGA上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為75MHZ，僅占用400個(gè)Slice資源，相當(dāng)于10萬(wàn)門FPGA容量的三分之一，而10萬(wàn)門的Spartan II系列FPGA的批量目標(biāo)市場(chǎng)價(jià)格僅為10美元左右，非常適合消費(fèi)類嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用需求。

　　在Xilinx最新一代FPGA Virtex II Pro中，嵌入了IBM公司的PPC405 RISC結(jié)構(gòu)硬處理器（如圖3所示），

　　圖3 PPC405 IP Core結(jié)構(gòu)框圖

　　該處理器內(nèi)核具備以下基本特征：

　　Ø 32位、Harvard結(jié)構(gòu)，300MHZ以上工作頻率

　　Ø 支持IBM Core Connect總線標(biāo)準(zhǔn)　　

　　Ø 符合PowerPC UISA標(biāo)準(zhǔn)

　　Ø 低功耗：0.9mW/MHZ

　　Ø 硬件乘法和除法單元

　　Ø 32個(gè)32bit通用寄存器

　　Ø 16KB雙端口程序緩存

　　Ø 16KB雙端口數(shù)據(jù)緩存

　　Ø 內(nèi)存管理單元（MMU）支持

　　Ø 獨(dú)立的調(diào)試和跟蹤接口

　　PPC405硬處理器內(nèi)核性能上與現(xiàn)有的EPPC Core完全一致，含有PPC405 Core 的Virtex II Pro系列FPGA還附加了Gbit收發(fā)器和18×18硬件乘法器以及龐大的可編程邏輯資源，非常適合于通信、圖像信號(hào)處理以及復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提供了更加靈活的設(shè)計(jì)模式。

　　3.3 基于Micro Blaze和PPC405 Core的SOPC軟硬件開(kāi)發(fā)

　　基于嵌入式處理器內(nèi)核的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一個(gè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程，一方面，它極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和快速的設(shè)計(jì)迭代周期，使整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程變得更加

可控；另一方面，一些新的調(diào)試和設(shè)計(jì)問(wèn)題，如邏輯分析儀和數(shù)字示波器的接入等，對(duì)調(diào)試設(shè)備和調(diào)試手段提出了更高的要求，為了盡可能避免問(wèn)題的產(chǎn)生，要求有更好的設(shè)計(jì)工具和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，保證IP Core資源的可用性和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一致性，讓設(shè)計(jì)工程師從煩瑣的內(nèi)部時(shí)序調(diào)試中解放出來(lái)。

　　Xilinx提供了針對(duì)Micro Blaze Core應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MDK，該開(kāi)發(fā)環(huán)境包含了用于硬件描述和系統(tǒng)生成的Platform Generator、用于軟件設(shè)計(jì)和編譯的Micro Blaze IDE，GDB調(diào)試可通過(guò)FPGA配置JTAG接口進(jìn)行，無(wú)需任何附加的調(diào)試硬件，配合Foundation ISE4.2和FPGA目標(biāo)板即可進(jìn)行全功能開(kāi)發(fā)，MDK還包含了UART、GPIO、Watchdog、Timer/Counter、EMC和中斷控制等基本處理器外設(shè)庫(kù)，用戶可以添加兼容OPB總線標(biāo)準(zhǔn)的任意IP Core。Insight和依元素科技均提供了功能全面的Micro Blaze Core評(píng)估工具。

　　PPC405 Core是一個(gè)高性能的處理器內(nèi)核，它具有獨(dú)立于FPGA JTAG的調(diào)試端口和更加復(fù)雜的調(diào)試功能，我們甚至可以將基于PPC405 Core的SOPC調(diào)試直觀地理解為基于IBM PPC405處理器和大容量FPGA的單板機(jī)調(diào)試，只不過(guò)這個(gè)單板機(jī)無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試，設(shè)計(jì)迭代過(guò)程全部在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。PPC405 Core的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持傳統(tǒng)的IBM PPC405開(kāi)發(fā)環(huán)境，Xilinx提供了相應(yīng)的系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和GNU軟件開(kāi)發(fā)工具包支持。第三方軟件開(kāi)發(fā)商Wind River和Montvisa已分別宣布其VxWorks和HardHat Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持Virtex II Pro 系列FPGA，Insight和Avnet已開(kāi)始銷售含有Virtex II Pro FPGA的高端評(píng)估板。依元素科技也推出了用于開(kāi)發(fā)PowerPC系列處理器的GNU集成開(kāi)發(fā)工具和利刃®系列調(diào)試工具，以及含有PowerPC處理器的原型評(píng)估板。

　　4 基于Internet可重配置邏輯（IRL）

　　4.1 IRL技術(shù)的基本特征與應(yīng)用

　　Internet Reconfigurable Logic (IRL)是Xilinx倡導(dǎo)的一種新的FPGA設(shè)計(jì)理念，其核心是通過(guò)Internet對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)和軟件程序進(jìn)行升級(jí)、重構(gòu)、調(diào)試和監(jiān)控，這種設(shè)計(jì)理念伴隨著嵌入式Internet技術(shù)的蓬勃發(fā)展必將對(duì)嵌入式設(shè)備的設(shè)計(jì)模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　IRL包括三個(gè)方面的基本要素：
 
       Ø 含有配置bit流或應(yīng)用程序的主機(jī)

　　Ø 含有配置功能的目標(biāo)系統(tǒng)

　　Ø Internet或遠(yuǎn)程訪問(wèn)介質(zhì)

　　在Internet環(huán)境下，可通過(guò)Web Browser訪問(wèn)遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)，通過(guò)HTTP、FTP協(xié)議、Java Applet和CGI等功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文件傳輸和交互控制功能。在某些特殊環(huán)境下，遠(yuǎn)程訪問(wèn)介質(zhì)可以是PSTN、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或其它特殊媒介，這在某些工業(yè)控制場(chǎng)合以及軍事應(yīng)用中是常見(jiàn)的。

　　IRL技術(shù)可以應(yīng)用于許多場(chǎng)合，諸如：在部分功能沒(méi)有完成全面測(cè)試之前就可以先將產(chǎn)品投放市場(chǎng)；故障設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)；遠(yuǎn)程修復(fù)產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的Bug；對(duì)已售出的產(chǎn)品升級(jí)新的功能；對(duì)新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議予以支持等等。總而言之，采用IRL技術(shù)將帶給我們的產(chǎn)品三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：縮短產(chǎn)品上市時(shí)間；減少產(chǎn)品維護(hù)費(fèi)用；延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。

　　4.2 IRL技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　在基于Web Browser的條件下，主機(jī)端的應(yīng)用程序?qū)⑦_(dá)到最簡(jiǎn)化，主機(jī)端無(wú)需安裝任何特殊應(yīng)用程序就可完成對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的操作，這種簡(jiǎn)化對(duì)用戶而言是必要的。這樣，目標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)就是IRL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全部?jī)?nèi)容。

　　一般而言，目標(biāo)機(jī)端IRL模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　Ø 以太網(wǎng)或Modem接入

　　Ø TCP/IP或TCP/IP+PPP協(xié)議棧

　　Ø Http Web Server

　　Ø 支持CGI、ASP或Java Script

　　Ø FPGA配置時(shí)序，至少支持JTAG配置模式

　　Ø 足夠的存儲(chǔ)空間和配置故障恢復(fù)功能

　　在嵌入式Internet技術(shù)和處理器的支持下，這些功能的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不是技術(shù)上的瓶頸了，圖4給出了依元素科技也開(kāi)發(fā)的IRL評(píng)估模塊原理框圖，

　　圖4 基于Rabbit2000的IRL模塊原理框圖

　　該這種實(shí)現(xiàn)方式是一種基于單片機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥鞯腎RL實(shí)現(xiàn)方式。Avnet推出了基于PowerPC和PMC總線的高端IRL技

術(shù)評(píng)估板。

　　在本文研究的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA甚至能夠通過(guò)內(nèi)部嵌入式處理器內(nèi)核（如Micro Blaze和PPC405）及其軟件支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的重構(gòu)和升級(jí)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著可編程邏輯器件工藝的不斷進(jìn)步和開(kāi)發(fā)工具的不斷增強(qiáng)，F(xiàn)PAG將更加廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA的將在更廣泛的范圍普及，成本和價(jià)格將不再成為我們拒絕在設(shè)計(jì)中采用FPGA的理由。我們有理由相信，SOPC、IRL等設(shè)計(jì)理念將會(huì)對(duì)我們的設(shè)計(jì)方式產(chǎn)生新的變革，也必將給每一位嵌入式工程師帶來(lái)有益的思路和更加寬廣的創(chuàng)意空間。

　　參考資料：

　　1 Programmable Logic Data Book, Xilinx Inc, 2000

　　2 Virtex II Pro FPGA User’s Manual, Xilinx Inc, 2002

　　3 Micro Blaze Development Kit User’s Manual, Xilinx Inc, 2002

　　4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述，呂京建等，單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室，2001

　　4 數(shù)字刀劍®系列FPGA評(píng)估版用戶手冊(cè)，依元素科技Inc，2002