FPGA在嵌入式系统中的应用与未来

本文主要介绍了嵌入式系统和FPGA在其中的应用，强调了FPGA在软硬件协同设计中的灵活性和可编程性，并探讨了基于FPGA的嵌入式系统的不同分类、处理能力和未来前景。 嵌入式系统是基于计算机技术的专用应用系统，其特点是软硬件可剪裁，可以根据具体需求进行定制。这些系统通常由CPU或DSP作为核心硬件，硬件部分固定，而软件部分可以灵活配置，以适应各种应用场景。FPGA（Field-Programmable Gate Array）在嵌入式系统中的作用尤其显著，因为它允许硬件的可编程性，使得设计者能够在硬件层面进行调整和优化，实现软硬件协同设计。 基于FPGA的嵌入式系统分为三种主要类型：状态机模式、单片机模式和定制嵌入模式。状态机模式适用于低成本、简单应用，如无外设、无总线结构的场景。单片机模式则包含一定数量的外设，可以使用实时操作系统和总线结构，常用于控制和仪表设备。定制嵌入模式是最高级别的集成，具有丰富的外设、实时操作系统和总线结构，适合高性能应用，如网络和无线通信。 随着技术的进步，采用90nm工艺后的FPGA器件，其处理能力增强，成本降低，功耗减少，且具有片上系统（System-on-Chip，SoC）的规模和动态编程能力，能够替代小批量ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）和处理器。 在FPGA嵌入式系统中，Xilinx公司提供了几种流行的32位微处理器核心，如8位的PicoBlaze软核、32位的MicroBlaze软核以及32位PowerPC硬核。MicroBlaze是一款精简指令集（RISC）的处理器，采用哈佛结构，具有3级流水线，32个通用寄存器，以及一系列的特殊功能单元，如ALU、Shift、中断响应单元等。它的最新版本为V7.0，支持内存管理和保护，浮点运算单元以及调试功能。 MicroBlaze编程模型中，32个通用寄存器R0~R31可供使用，其中R0是一个特殊的寄存器，写入的数据会被忽略。R14寄存器用于存储中断返回地址，而其他寄存器如R1~R13和R18~R31作为常规通用寄存器使用。 FPGA嵌入式系统的未来趋势是使用如MicroBlaze和PowerPC这样的32位处理器核心，以及像Nios和NiosII这样的其他处理器。随着技术的不断发展，FPGA在嵌入式系统中的角色将更加重要，提供更高效、更具成本效益的解决方案。