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??? 器件供應(yīng)商降低制造成本的一個(gè)方法是中止老產(chǎn)品，這樣做就導(dǎo)致微處理器過(guò)時(shí)。那些微處理器核的多個(gè)版本與集成外圍器件的混合使情況更加復(fù)雜，對(duì)于特殊處理器的結(jié)構(gòu)引起器件過(guò)剩。通過(guò)把外圍設(shè)備整合至有微處理器的裸片，供應(yīng)商可以把微處理器用于大批量的專門應(yīng)用。（文中提到的“微處理器”指整個(gè)元件，包括處理器核與集成的外圍設(shè)備）。由于應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，微處理器設(shè)計(jì)的狹窄市場(chǎng)使得微處理器更加容易過(guò)時(shí)。本文闡述設(shè)計(jì)者面對(duì)微處理器（微控制器）過(guò)時(shí)的情況，采用FPGA的可選方案。

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??? 考慮這個(gè)選擇之前，首先考慮FPGA作為應(yīng)對(duì)微處理器過(guò)時(shí)的挑戰(zhàn)是很有用的。例如LatticeXP2 FPGA，可以實(shí)現(xiàn)68HC11兼容的CPU核，完全可綜合的代碼只要2600 個(gè)slice。如圖1所示的68HC11兼容的微處理器，把所有外設(shè)集成到這個(gè)器件將增加幾百個(gè)slice。此外，容易適配至當(dāng)今的FPGA，這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案可以比原來(lái)的8-12 MHz 運(yùn)行快5倍。

?圖1? 實(shí)現(xiàn)D68HC11微處理器?

技術(shù)曲線

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??? FPGA使設(shè)計(jì)者利用技術(shù)曲線，以防止微處理器的過(guò)時(shí)。外圍設(shè)備，或者把它們組合在一起或許也會(huì)過(guò)時(shí)。除了處理過(guò)時(shí)的微處理器，針對(duì)把周圍的功能整合到FPGA，F(xiàn)PGA技術(shù)曲線提供了選擇。因此降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，并解除了對(duì)其它元件不能繼續(xù)供應(yīng)的擔(dān)憂。基于SoC的微處理器和FPGA遵從的技術(shù)曲線如圖2所示，用可綜合的RTL，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)者免于受到將來(lái)器件過(guò)時(shí)的影響，在大批量ASIC的NRE里未提及。

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圖2?? 技術(shù)曲線增加了整合空間?

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??? 圖2中的技術(shù)曲線展示了微處理器和微控制器的相關(guān)等效邏輯復(fù)雜性與FPGA里軟實(shí)現(xiàn)的比較。原來(lái)的微控制器過(guò)時(shí)的時(shí)候，可用的FPGA邏輯密度遠(yuǎn)多于實(shí)現(xiàn)微處理器和外設(shè)所需的邏輯。這個(gè)額外的邏輯稱為外設(shè)整合空間，將隨著FPGA密度繼續(xù)增加而增長(zhǎng)。圖1中的D86HC11包括了DoCD塊，提供了實(shí)時(shí)，非插入系統(tǒng)調(diào)試，以及沒(méi)有整合到原來(lái)微控制器的功能。

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??? FPGA提供了對(duì)設(shè)計(jì)的折衷方法，因此實(shí)現(xiàn)解決方案時(shí)設(shè)計(jì)者有多種選擇。各種選擇方案如下：

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選擇方案1：完成再設(shè)計(jì)（將來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)）

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??? 在此方案中，器件供應(yīng)商也許提供替代元件，或許不是相同的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)。這個(gè)選擇需要完成硬件和軟件的再設(shè)計(jì)，使用另外的基于元件的微處理器解決方案，或者基于FPGA的解決方案。如果選擇這個(gè)方案，將來(lái)驗(yàn)證這個(gè)設(shè)計(jì)是理想的，采用開(kāi)放源代碼軟處理器Harvard結(jié)構(gòu)的32位LatticeMico32。不像GNU公用許可證(GPL)，軟件團(tuán)體是相同的，用于LatticeMico32的創(chuàng)新開(kāi)放源代碼許可證是用硬件實(shí)現(xiàn)的。它可以移植到任何FPGA或者免費(fèi)的ASIC。

選擇方案2:相同的ISA，較高的整合

??? 原來(lái)微處理器元件的軟實(shí)現(xiàn)（μP核和集成外設(shè)）編程至FPGA。軟處理器實(shí)現(xiàn)和外圍設(shè)備比原來(lái)的元件運(yùn)行速度高。采用這個(gè)選擇，外設(shè)或者時(shí)序環(huán)有任何變化，軟件只要做較小的改動(dòng)。這個(gè)選擇的優(yōu)點(diǎn)是軟件變化最小，降低了電路板的成本，因?yàn)殡娐钒宓钠渌δ芏颊现罠PGA。

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選擇方案3：二進(jìn)制兼容，較高的整合

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??? 原來(lái)微處理器元件的軟實(shí)現(xiàn)（μP核和集成外設(shè)）及精確的時(shí)序編程至FPGA。目標(biāo)是用原始的二進(jìn)制代碼而不需要修改。通過(guò)整合其它電路板的功能至FPGA，這個(gè)選擇降低了電路板的成本。

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選擇方案4：二進(jìn)制兼容，插座兼容（典型方案）

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??? 這個(gè)選擇使用中間層電路板實(shí)現(xiàn)FPGA，針對(duì)原來(lái)的微控制器，最小化相關(guān)的邏輯有準(zhǔn)確的引腳對(duì)引腳的替換。除了中間層電路板之外，這個(gè)方法不用改變軟件和硬件。

例如，供應(yīng)商停止68HC11 MCU生產(chǎn)。對(duì)這個(gè)問(wèn)題評(píng)估可能的方法，客戶也許會(huì)規(guī)定替代的部件必須與原來(lái)的功能和時(shí)序一樣，運(yùn)行相同的二進(jìn)制程序而無(wú)需修改。客戶決定將DCD的 D68HC11 IP核用在LatticeXP2 FPGA中。LatticeXP2的片上Flash能用于較少部件的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3，因?yàn)榉且资atticeXP2不需要外部的Flash存儲(chǔ)器，或者其它的電路下載FPGA配置。

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??? 最初客戶考慮用完全不同的處理器代替68HC11，但是這個(gè)方法要求取代應(yīng)用軟件。這是一個(gè)很困難的任務(wù)，因?yàn)檐浖c68HC11指令和內(nèi)部的外設(shè)緊密相關(guān)。因此轉(zhuǎn)到新的處理器需要為軟件的再設(shè)計(jì)付出大量的時(shí)間和精力。結(jié)果大多數(shù)解決方案是用FPGA取代68HC11。這個(gè)選擇將專注FPGA里D68HC11 IP核的確認(rèn)，避免改變系統(tǒng)的任何部分（軟件應(yīng)用，外部電路板元件），系統(tǒng)已完好地運(yùn)行了15年多。

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??? 最重要的要求是能夠得到與原來(lái)的微處理器完全兼容的軟件。必須是運(yùn)行在D68HC11上相同的二進(jìn)制代碼，對(duì)二進(jìn)制代碼的任何改變都是不可接受的。在這樣的情況下，另外的限制是保持指令周期的精確性。這是很關(guān)鍵的，因?yàn)檐浖?huì)使用指令循環(huán)構(gòu)成的時(shí)序延時(shí)。此外，有些功能或外圍接口也許會(huì)依賴精確根據(jù)指令和時(shí)鐘周期確定的執(zhí)行時(shí)間。

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??? 使用這個(gè)方法時(shí)，很難達(dá)到外設(shè)兼容。然而在此情況，所有的數(shù)字部分都容易實(shí)現(xiàn)，并具有相同的功能和時(shí)序。大多數(shù)現(xiàn)成的IP核都是設(shè)計(jì)好的，并在DCD核庫(kù)中驗(yàn)證過(guò)。

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??? 通常的問(wèn)題是替代微控制器的模擬元件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，上電/電源故障復(fù)位產(chǎn)生和時(shí)鐘振蕩器。數(shù)字可編程器件FPGA可以實(shí)現(xiàn)與這些功能相關(guān)的任何數(shù)字接口邏輯，但不是模擬電路。

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??? 用FPGA取代先前整合的ADC數(shù)字功能是可能的。采用外部ADC轉(zhuǎn)換器和設(shè)計(jì)D68HC11接口是必須的。因?yàn)槟壳皼](méi)有ADC具有和原來(lái)的元件有相同的精度，要選擇性能好的。要求是有寄存器功能，與原來(lái)的ADC接口相同，包括ADC和CPU之間控制和狀態(tài)信號(hào)的翻譯。轉(zhuǎn)換時(shí)序必須是相同的。這是ADC接口的主要功能，D68HC11的附加模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

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??? 因此，用FPGA、ADC、時(shí)鐘發(fā)生器和PLCC插座取代了老的器件，構(gòu)成了小的印刷電路板并直接與客戶的系統(tǒng)相連。對(duì)原來(lái)的電路板無(wú)需開(kāi)發(fā)軟件或改變。

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??? 用這個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)IP核源于DCD庫(kù)，且已完全經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。任何新的外設(shè)都要設(shè)計(jì)成與68HC11的要求相匹配。對(duì)照舊的外設(shè)時(shí)序和功能，要仔細(xì)地驗(yàn)證新的外設(shè)。對(duì)驗(yàn)證來(lái)說(shuō)FPGA是理想的，可以在FPGA中立即驗(yàn)證改變的HDL。

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結(jié)論?

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??? 本文中我們強(qiáng)調(diào)了微處理器的過(guò)時(shí)問(wèn)題。提出了基于FPGA的選擇方案，向涉及到過(guò)時(shí)微處理器問(wèn)題的設(shè)計(jì)者提出了基于FPGA的選擇，提供了將來(lái)驗(yàn)證需要微處理器的新設(shè)計(jì)方法。說(shuō)明了FPGA如何針對(duì)過(guò)時(shí)問(wèn)題的解決方案，以及整合功能、降低電路板成本的一些選擇，并提高了調(diào)試設(shè)計(jì)的可見(jiàn)性。

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