FPGA成本，性能和功耗的顯著改進使得它們在越來越多的嵌入式系統中與微控制器一起贏得了一席之地。時間緊迫（甚至預算緊張）的設計人員發現，最近的價格合理的中密度FPGA提供了一種經濟有效的方式來增強嵌入式MCU的功能。它們混合了可編程邏輯和高性能接口電路，用于在工業，商業和醫療系統中添加定制I/O，網絡連接和智能外設（圖1）。與此同時，他們更大，功能更強大的兄弟們發現了與高性能成像，網絡或無線系統中算法加速器的外置處理器相同的應用程序。在這些應用中，智能設計人員正在使用可編程邏輯元件來獲得管理其產品線生命周期的戰略優勢。

圖1：醫學成像系統的框圖說明了FPGA如何通過經濟高效的高性能I/O擴展，信號處理和算法加速功能來增強嵌入式系統的主機處理器。 （由Altera公司提供）

在本文中，我們將探討MCU如何與FPGA合作，以改變嵌入式產品在嵌入式生態系統各個層面的設計方式。

協同進化

可編程邏輯器件（PLD）及其更密集，更快速的同類，現場可編程門陣列（FGA），在嵌入式系統設計中發揮了重要作用，甚至在“嵌入式系統”一詞進入之前工程詞典。早在16位處理器和64 Kbyte存儲器位于硅食物鏈頂端的時代，設計人員就依賴它們作為所謂的“膠合邏輯”來拼接CPU及其相關組件之間的定時和控制信號。 PLD甚至EPROM（還記得嗎？）也用于實現自定義解碼器和查找功能。然而，直到最近，大型FPGA才是相對耗電，昂貴的野獸，主要用于原型，以及高價，低產量的產品，或者作為從負擔過重的處理器卸載明確定義的計算密集型操作的快速方法。

隨著FPGA制造商將生產轉移到越來越精細的亞微米工藝，這種情況發生了變化隨著器件邏輯密度的增加和功耗的降低，在大批量應用中使用可編程解決方案變得越來越具有成本效益（圖2）。雖然在同一工藝節點上實現FPGA中的特定功能仍然比同等的基于單元的專用單元設計更大，更慢，更耗電，但FPGA制造商迅速采用激進的亞微米工藝節點使它們領先于大多數ASIC和ASSP。產品降低的功耗和每個元素的成本使它們能夠贏得新的應用和更大的市場。

圖2：隨著FPGA超過亞微米級閾值，其更高的邏輯密度和更低的功耗開始使它們越來越適用于中到大批量應用。 （由Xilinx提供。）

FPGA作為協處理器

嵌入式設計人員正在使用FPGA來增強MCU的處理能力或卸載FPGA的邏輯結構，增加DSP元件，加密硬件加速邏輯和糾錯，以及其他特定于應用程序的核心。即使是功能強大的基于ARM9的MCU，如飛思卡爾的Kinetis系列或恩智浦的LPC2/3系列，也需要外置DSP或基于FPGA的加速器來并行執行矩陣處理，圖像/視頻壓縮或AES加密/解密和其他加密方案等任務。 。由于其性價比和可重配置性，FPGA現在常用于上/下轉換，模/解，包絡控制以及軟件定義無線電中的其他功能。

許多嵌入式汽車系統正在將FPGA用于信息娛樂和安全應用，例如車道偏離警告系統。在車輛的組合娛樂和信息系統中，可編程邏輯可作為主處理器的配套，提供媒體處理，圖形加速和車輛網絡功能（圖3）。 FPGA還在車道偏離感應中發揮關鍵作用。通過提供提取特征所需的高速圖像處理和雷達信號處理（例如道路上的線路，街道標志等），該設備能夠精確定位車輛在高速公路上的位置。類似的算法用于確定其他車輛的位置/相對速度，然后將其用于駕駛員輔助功能（即制動輔助，加速器管理和提供轉向建議）。 FPGA支持快速開發和推出這些先進系統，這些系統過于新穎，發展太快，無法使用ASIC或ASSP進行經濟實施。

圖3：作為主處理器的配套產品，單個Spartan-6 FPGA支持音頻/視頻加速，圖形子系統和車輛網絡功能。 （由Xilinx提供。）

FPGA在醫療應用方面有著悠久的歷史。作為最大的，Altera Stratix III和Xilinx Virtex-4/5器件用于處理由高分辨率CAT，MRI和PET成像器生成的大量原始數據。在這樣的醫療應用中，FPGA也被用作高速A/D和D/A的前端，它們直接連接到傳感器和傳感器，以便通過寬而快速的PCIe Gen2總線進行處理和傳輸到主機系統。但是，體積更小，成本更低的設備正在成為低成本便攜式成像儀（CT，內窺鏡和超聲波）不可或缺的一部分，可以為農村和城市診所以及新興經濟體的醫療中心提供先進的服務。這些應用程序運行高端設備中使用的算法的縮小版本，可以使用中檔，價值導向的FPGA實現，包括大量的DSP架構，例如Altera的Arria Xilinx KINTEX系列。

I/O擴展一直是嵌入式系統中FPGA最常見的應用之一。盡管如此，增加專用元件使嵌入式設計人員更容易使用其主處理器的PCIe總線為其設計添加I/O和網絡功能的自定義組合。 FPGA的硬件功能模塊和可編程邏輯可用于實現PCie主機接口，以及為Texas Instruments Stellaris MCU添加千兆以太網，SATA，FibreChannel或Infiniband網絡功能的連接（圖4）。其他FPGA資源可用于為其他常用的I/O連接（如USB，FireWire，HDMI和DisplayPort）或專用的高性能系統互連（如CPRI/OBSAI）構建連接。

圖4：高性能處理器的PCIe總線用作配置為I/O配套/擴展設備的FPGA的接口。 （由Altera公司提供）

基于FPGA的I/O和內存擴展在擴展功能和延長舊設計的使用壽命方面變得越來越流行，舊設計的主機處理器可能需要額外的處理能力或接口功能來滿足新的要求。除了剛才討論的I/O元件外，大多數FPGA系列還提供配備接口的變體，這些接口可配置用于大多數常見的DRAM/SRAM連接和獨立的DDR/QDR存儲器控制器元件。它們共同允許FPGA緩沖和管理流經其I/O連接的數據流。這種技術還允許設計人員調整他們的設計，以便在“遺留系統”中使用的舊的或更低成本的處理器能夠享受降低的BOM成本。這些系統能夠使用市場上最豐富的DDR2/3 RAM或利用DDR/QDR存儲器提供的更高性能。

下一步：板載MCU

由于FPGA在越來越多的中高容量市場中與ASSP和ASIC競爭套接字空間，制造商推出了硬連線處理器內核提供的新系列設備更高的性能甚至更低的TCO。在許多情況下，這些所謂的SoC FPGA可用于特定應用的邏輯元件，處理器，存儲器和相關硬件核心的組合。例如，Microsemi的SmartFusion器件將其非易失性混合信號FPGA技術與ARM Cortex-3 32位RISC處理器配對（圖5）。 SmartFusion A2F200中的精密模擬溫度，電流，電壓和溫度傳感元件，PWM引擎和其他實際接口可配置為在工業，汽車和航空航天系統中提供多軸電機控制。

圖5：Microsemi的SmartFusion系列將ARM Cortex-3處理器添加到Fusion的混合信號FPGA架構中。 （由Microsemi SoC Products Group提供。）

進一步提升性能范圍，Xilinx最近推出的Zynq-7000可擴展處理平臺配備了ARM Cortex A9高性能RISC處理器（圖6）。 Cortex A9具有高效率，動態長度，多發超標量，無序，推測的8級流水線。它可作為單核或可配置多核元件提供，其處理能力可針對各種智能視頻，通信和控制應用進行定制。如果需要額外的處理器，可以使用Zynq的可編程邏輯構建8位PicoBlaze或32位MicroBlaze處理器的軟核。

圖6：Xilinx的Zynq-7000系列FPGA SoC將功能強大的Cortex A-9處理器與高性能可編程邏輯和專用外設核心混合在一起。 （由Xilinx提供。）

Altera最新的FPGA SoC也基于A9處理器的幾個產品系列，包括價值導向的Cyclone V GX系列。針對生產量適中且I/O密度高的工業和汽車應用，Cyclone器件配備單核A9，25k可編程邏輯元件和各種外圍核心，批量定價低至15美元。由于Cyclone SoC產品還集成了以太網，CAN控制器，DSP（用于電機控制）和其他I/O，因此它們在傳統的多芯片解決方案中具有很強的競爭力。

Altera還創建了其性能導向的Arria V系列的幾個成員，這些成員配備了單核和多核A9處理器，旨在降低汽車，工廠自動化和視頻處理應用中現有設計的成本。由于大多數無線系統已經基于ARM Cortex-A9，因此Altera和Xilinx的A9配備的FPGA SoC正在幫助降低基礎設施產品的成本和功耗，因為設計人員將其用于基帶處理，遠程上/下處理，和數字和預失真/包絡控制。結果