Nexar2004将加速基于FPGA的嵌入式系统设计

可编程逻辑技术目前已经能与ASIC（专用集成电路）和ASSP（专用标准产品）争夺市场，并逐渐呈现出取代ASIC和ASSP的趋势，这极大程度上是因为FPGA技术的发展。FPGA产品在逻辑密度、性能和功能上有了极大的提高，同时器件成本也大幅下降。

70年代人们已经开始使用ASIC，但ASIC也带来一些问题，随着深亚微米ASIC掩模的成本接近50万美元，设计人员不得不重新评估定制的固定逻辑器件高昂的、不可再利用的工程成本。比如要不断对ASIC进行修正，有的问题需要3~4次的再设计才能解决，这影响了了上市时间；而且一旦你的产品或技术需要升级时，又要进行调整。如果把整个ASIC设计改变或修订的话，成本相当于5万美元。许多产品工程师发现,ASIC只有在产量或销售达到一定规模，才能平衡前期的投资。

正是基于这样的考虑，越来越多的设计人员开始采用FPGA。FPGA是可重新编程的，在把最初的设计下载到FPGA之后，如果发现芯片存在设计缺陷，即可在几小时内改动设计和重新编程FPGA，并且不需要额外的经费。对于采用FPGA技术的设计工程师来讲，这是一项极重要的优点。

在FPGA越来越被广泛使用的同时，在设计中同样存在着一些问题。目前，市场上占有较大份额的FPGA厂商比如Xilinx，Altera和Actel等公司，他们都有自己的开发工具和平台，像ISE、Quartus等等。在设计过程中，当用户从一个厂商的产品转到另一个厂商的产品时，他们需要花大量的时间来学习新的开发工具，即使改变同一厂商的不同型号的产品，仍需更换开发平台才行。所有这些都为我们的设计带来了很多的麻烦。

Altium公司的新产品Nexar 2004解决了上述问题，Nexar为在FPGA上实现数字系统设计提供了一种新的解决方案。它能够进行FPGA设计和嵌入式系统开发。另外，和Nexar一起推出的还有一个开发板—NanoBoard，NanoBoard以板上可重新配置的FPGA子板为主要特色，通过简单的插拔FPGA子板，用户就可以随意的更换不同厂商或同一厂商不同型号的FPGA产品，而无需改变开发工具和平台。目前，Nexar支持的FPGA包括：Altera :Cyclone、 StratixTM；Xilinx：SpartanIIE、 VirtexTM II、 Spartan III；将要包括Actel ProASICplusTM 。NanoBoard上包含丰富的接口和外围设备，如CAN接口，RS232，VGA接口，I2C接口，PS2,小键盘，LCD等等，用户可以根据需要来进行设计。最后，将设计下载到NanoBoard上的FPGA当中进行实际执行，从而验证设计的正确性。

利用NanoBoard ，FPGA设计工程师能在很短的时间内找到设计的缺陷，而仿真会花数日、数周、甚至数月的时间才能完成。当在电路中测量FPGA时，逻辑分析仪是关键角色，通过实时测量提供FPGA行为至关重要的信息。但是随着FPGA所包容的逻辑量越来越多越来越复杂，需要在板上预留很多测试端口，显然这是不可能的。Nexar IP 库中含有大量的虚拟仪器，这些仪器都设计成IP元件的形式，其中最突出的是逻辑分析仪，在使用时只是在原理图中将它连接在需要测试的总线上即可，设计一旦下载到FPGA中，就可以从外部控制虚拟仪器。从而免去了大量的实际连接工作。

除了FPGA以外我们还需要MCU才能完成一个完整的系统级设计。对于传统的系统级设计，FPGA和MCU都是作为分立元件出现的，这使我们对产品进行重新设计或者是在功能上进行更新时变得十分困难，往往都会面临着重新制板，从而延误了产品上市的时间。另外。8位的MCU在国内流行了二十几年，直到现在还有非常广阔的市场，主要应用于工业控制，汽车电子。白色家电等领域。

利用8位MCU进行设计也存在很多问题。目前，市场上8位MCU产品包含了40多家供应商所提供的近1,300种器件。一套8位开发工具套件通常包括编译器与仿真器，价格约4,000美元。一些情况下，工程师可以以很低的价格获得这种开发套件，但是很少有免费的编译器可用，而且几乎所有的8位器件均要求有专用仿真器。通常采用几种基于单一架构的衍生器件就需要使用几种仿真器。

MCU核的特点是量体裁衣，能够让用户充分发挥创造力与想象力来开发他们所需要的应用。目前，Nexar包含三种体系架构的MCU核，PIC165x，8位RISC ；8051，准哈佛结构；Z80，经典冯.诺一曼结构。用户可以根据需要扩展核的功能，也可以进行多核的设计。并且，Nexar集成了Tasking编译技术，能够针对每种MCU核提供相应的编译器。

另外，更先进的应用正在推动设计界从8位处理器向32位过渡。同样，Nexar也即将支持Xilinx的32位处理器内核PPC405以及Altium自主知识产权的32位RISC处理器内核TSK3000( 完全兼容MIPS R3000系列），其采用RISC构架和哈佛结构的独立32位指令和数据总线。在软件无线电等系统设计中，一般采用“微处理器+协处理器”结构，处理器一般使用通用DSP，主要完成系统通信和基带处理等工作；协处理器用FPGA实现，主要完成同步和预处理等底层算法的运算任务。利用IP来代替DSP，从而能在一片FPGA内部完成整个系统设计，这样不仅能简化系统结构，还能提高系统的性能。

Altium公司的Nexar2004既能进行FPGA硬件设计，同时又能进行嵌入式软件设计。利用NanoBoard，用户能够现场验证设计的正确性，在验证期间，可以利用Nexar库里自带的虚拟仪器进行测量，可以利用虚拟逻辑分析仪来获取设计中的数据以进行分析。这样，用户能够实现软硬件的协同设计与调试，而无需更换设计工具与平台。
基于FPGA的嵌入式系统设计最终要转化为产品，用户最终会把设计运行在产品板上，随着系统复杂度及FPGA引脚的数量的增加，使得FPGA到PCB转换的过程中要面临很多问题。其中之一就是要反复的改变引脚配置才能够较好的完成板级设计。Altium公司的另一产品Protel2004就是一个板级的设计工具，Protel2004和Nexar2004能够无缝的结合在一起，在设计的过程中，能够将FPGA设计轻松的转换为PCB设计所需的文件。在进行PCB设计过程中，系统能够根据最佳的布线路径对FPGA引脚进行自动优化，最后将改变后的引脚信息回注到FPGA设计当中；反之，在FPGA设计时，能将重新约束好的引脚信息同步到PCB设计当中。最终能够使FPGA设计和PCB设计保持一致。目前，能够做到FPGA和PCB设计完美结合的EDA开发厂商寥寥无几。

Nexar 2004在使用上非常简单，运用近似于电路板级的设计方法就能轻松掌握。Nexar2004将会为基于FPGA的嵌入式系统设计中起到积极的推动作用！

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