可編程邏輯器件（PLD）是嵌入式工業設計的關鍵元器件。在工業設計中，PLD已經從提供簡單的膠合邏輯發展到使用FPGA作為協處理器。該技術在通信、電機控制、I/O模塊以及圖像處理等應用中支持I/O擴展，替代基本的微控制器（MCU）或者數字信號處理器（DSP）。

　　隨著系統復雜度的提高，FPGA還能夠集成整個SoC，與分立的MCU、DSP、ASSP，以及ASIC解決方案相比，大幅度降低了成本。

　　不論是用作協處理器還是SoC，Altera FPGA在您的工業應用中都具有以下優勢：

　　1. 設計集成——使用FPGA作為協處理器或者SoC，在一個器件平臺上集成IP和軟件堆棧，從而降低成本。

　　2. 可重新編程能力——在一個公共開發平臺的一片FPGA中，使工業設計能夠適應協議、IP以及新硬件功能的發展變化。

　　3. 性能調整——通過FPGA中的嵌入式處理器、定制指令和IP模塊，增強性能，滿足系統要求。

　　4. 過時保護——較長的FPGA產品生命周期，通過FPGA新系列的器件移植，延長工業產品的生命周期，保護硬件不會過時。

　　5. 熟悉的工具——使用熟悉的、功能強大的集成工具，簡化設計和軟件開發、IP集成以及調試。

　　設計集成

　　現代工業系統設計人員面臨很多挑戰，包括，系統復雜度、標準的變化、性能需求，以及系統總成本等，如圖1所示。

　　圖1.關鍵工業設計挑戰

　　作為一名工業系統設計人員，您可以確定是否使用FPGA作為協處理器（也稱為I/O輔助或者I/O hub器件），還是完整的SoC解決方案。您可以在相同的電路板上組合使用標準主處理器和FPGA，由外部主處理器完成系統處理功能。

　　然而，功能固定的處理器在工業應用中通常缺少關鍵的接口、功能或者性能。您可以將部分處理任務移到FPGA中，從而減輕處理器的工作。或者，您在一個基于FPGA的SoC平臺上集成所有處理器功能，降低設計復雜度，減少系統總成本。

　　很多MCU或者DSP解決方案如果要同時運行電機控制任務和通信功能，其帶寬將無法滿足需求。結果，您可能需要增加其他的ASSP、MCU或者FPGA器件，如果目前的電路板無法承載這些器件，那么只能將其作為昂貴的置入卡來使用。相似的，不同的現場總線以及發展的工業以太網協議標準也需要針對每一協議采用專用ASSP、MCU或者FPGA器件。由于某些標準需要協議專用硬件（MAC）和協議專用軟件堆棧，因此，這些工作是必須的。FPGA支持您在協處理器中集成系統功能，根據需要隨時修改設計。

　　圖2顯示了一個運動和電機控制平臺，它發揮了Altera FPGA的優勢，作為DSP卸載引擎和工業網絡的協處理器。電機控制器通過控制速度和電流（轉換為扭矩設置），設置電機的能效和精度。相似的，運動控制則主要完成位置和時序精度控制功能。在很多情況下，電子硬件都是相似的，主要的差別在于控制軟件或者算法，以及I/O接口。

　　圖2中的例子顯示了一個典型的控制器，它依靠一個主MCU或者DSP器件（主處理器）來運行算法，驅動電機或者運動控制器的電源級。當主處理器達到其性能極限時，設計人員可以提高器件時鐘速率，以提升處理器性能。但是，對性能增益是有限制的，這種方法可能會帶來其他問題，例如，需要更新到速度更快的存儲器，其他硬件的性能，以及優化軟件需要更多的時間等。

　　在這種情況下，將某些主處理器功能卸載到FPGA協處理器中有助于簡化系統，使用FPGA進行通信，幫助您隨著工業以太網協議等標準的發展而靈活的進行修改。然后，您對FPGA重新編程，使用相同的硬件平臺來滿足需求。

　　在一個SoC FPGA器件平臺上集成設計元器件，進一步簡化了設計復雜度，降低了系統總成本。圖3顯示了一個簡單的工業電機控制系統，FPGA現在起到了SoC的功能，集成DSP模塊、存儲器、視頻圖形控制器、電機編碼器以及其他元器件。您可以簡單的加入PHY和其他模擬以及電源器件，從而完成設計。

　　此外，電機控制應用通常還需要采用反饋機制來計算當前速率和位置。對于FPGA，很多經過優化的數字編碼器接口IP內核只能用作IP，支持在接口上使用FPGA。在FPGA上集成IP減小了電路板尺寸，減少了元器件數量，簡化了裝配，降低了存儲要求。這種集成方法減少了電路板上的元器件數量，從而提高了系統可靠性。Altera FPGA支持很多其他系統功能，例如，嵌入式處理器、DSP模塊、LCD顯示屏和視頻處理器等。

　　圖4顯示了另一應用實例，其FPGA用作視頻監控應用中的協處理器。視頻監控市場越來越多的采用了寬動態范圍（WDR）攝像機傳感器，能夠分辨從背景到逆光條件下的目標物體。只有FPGA具有WDR圖像傳感器流水線（ISP）協處理所需的帶寬，將視頻流送入DSP器件進行視頻編碼，例如，H.264等。DSP器件缺少處理WDR ISP所需的帶寬和接口，不具備運行其他監控功能的性能，例如，視頻分析等。

　　另一個例子，圖5顯示了FPGA作為視頻監控應用中的SoC。用作SoC時，FPGA支持您在一片FPGA中集成所有的組件——ISP、視頻分析、編碼和聯網功能。這一方法不需要采用后端DSP器件，支持實現更緊湊的集成設計。

　　圖6顯示了在Cyclone? V SoC上實現的SoC系統實例的結構圖。

　　可重新編程能力

　　利用FPGA的可重新編程能力，您很容易適應標準的發展，支持設計重用。即使您在工業應用中只采用一個MCU、DSP、ASSP或者ASIC解決方案，很多應用還是需要分立器件來處理工業通信等功能，例如，可選的現場總線專用ASIC或者FPGA，，如圖7所示。當網絡規范或者功能需求出現變化時，您通常會集中精力來開發多塊PCB，以支持不同的協議和功能，每一平臺都需要額外的軟件導入導出時間。這大大提高了解決方案的總成本。

　　或者，您可以使用FPGA作為通信協處理器。您可以在一個硬件平臺上設計一個通信子系統，隨時修改網絡協議，支持多種產品。您通過在一片FPGA中更靈活的集成主MCU或者DSP控制功能、多個處理器和其他IP以及接口，開發小外形器件，節省空間，降低成本。由于能夠針對多種產品采用一個平臺，減少了要開發的硬件數量，簡化了軟件的導入導出，因此，您將獲得幾個月甚至更長的產品及時面市優勢。

　　調整性能

　　任何工業控制系統的關鍵所在是主機/主MCU、DSP、ASIC或者ASSP器件的處理功能。當性能成為設計難題時，FPGA提供以下方法來調整處理性能，如圖8所示。

　　■ 使用高性能外部處理器以及FPGA內置的多個嵌入式處理器之一。您還可以將所有處理功能集成到FPGA中，作為SoC。

　　■ 加入定制指令以及您的處理器代碼，從而加速專用處理器指令；浮點就是一個很好的例子。

　　■ 通過DSP模塊等專用硬件加速數據轉換算法。

　　多核處理

　　對于靈活的多處理器設計，您可以從多種實現方式中進行選擇。嵌入式工業設計人員通常對非對稱協處理感興趣，把FPGA作為I/O輔助芯片或者SoC。非對稱多處理器意味著多功能產品可以采用專用處理器來實現每一主要功能。這尤其適合滿足當今迫切的應用需求，例如，智能電話等。開發人員以前在PCB上采用多個處理器來開發這類系統。現在，您可以在一片FPGA中每個分區的專用處理模塊上來完成這一工作，如圖9所示。

　　這類應用的一個例子就是高性能伺服驅動應用，它需要高性能主處理器（或者多處理器）來完成每一主要功能。專用處理器執行應用代碼，通信處理器提供現場總線或者以太網鏈路，圖形或者圖像處理器提供顯示功能，包括數字電機編碼器、PWM功能和電源控制等其他定制邏輯和接口。您還可以將所有這些功能集成到FPGA中，作為協處理器或者完整的SoC。

　　定制指令

　　您可以通過增加定制指令以及相應的處理器代碼來調整處理器性能。這一方法加速了專用處理器指令，如圖10所示。

　　您可以在嵌入式處理器指令集中加入定制指令，以加速對時間要求較高的軟件算法。圖10中的例子顯示了您怎樣在Altera Nios? II處理器的算術邏輯單元（ALU）中加入定制指令邏輯。使用定制指令將復雜的標準指令序列簡化為在硬件中實現的嵌入指令。您可以在各種應用中使用這一功能。例如，您可以優化DSP的軟件內循環、數據包頭處理以及需要大量計算的應用。Quartus? II軟件提供配置GUI，支持Nios II處理器的256條定制指令。圖10中的例子使用了64 Kilobyte （KB） CRC緩沖。在Nios II處理器中，與只采用軟件操作相比，定制指令能夠將CPU的性能提高27倍。

　　硬件加速

　　除了定制指令，您還可以使用硬件加速器，例如DSP模塊、視頻模塊以及其他IP，從而消除數據瓶頸。圖11顯示了與僅采用定制指令的同一Nios II處理器系統相比，采用同時或者并行數據協處理器功能將系統性能提高了530倍。在并行數據協處理器期間，處理器的中央處理單元（CPU）啟動并停止協處理器，協處理器獲取數據，存儲結果，CPU同時運行應用代碼。這適用于模塊數據操作，例如，電機控制或者運動控制應用中常見的DSP功能。

　　過時保護

　　生命周期較長的FPGA降低了產品過時的風險。Altera FPGA的產品生命周期非常符合工業設備的長生命周期要求，能夠穩定的供應器件，如圖12所示。

　　大部分MCU、DSP或者ASSP器件的產品生命周期比FPGA短得多，這是因為和Altera相比，其供應商通常會更快的停止供應成熟器件。這類器件設計用于針對大批量用戶在短期內實現特定應用。而且，雖然目前產品中的ASIC器件可以工作15年以上，但是很多已經接近壽命終了，迫使設計人員考慮FPGA等其他長壽命器件。雖然新ASIC設計正在開發中，但是設計人員還不能迅速更新這些產品以跟上標準的發展，或者滿足新功能的要求。

　　相反，FPGA涵蓋了多種應用和市場，與大批量產品的特殊應用無關。因此，Altera在很長時間內生產的FPGA是您的高性價比選擇。您可以更好的管理穩定的供應鏈，它會含有很多其他半導體元器件。在您的設計中使用FPGA平臺時，您能夠隨時更新并修改您的設計。您可以重復使用IP，在很短的時間內將設計導入到新系列FPGA中，這要比設計新MCU、DSP、ASSP或者ASIC快得多。

　　隨著時間的推移，Altera FPGA幫助您提高了多條產品線的商業價值，降低產品過時的成本。
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