前言

　　如今的電子中央單元五花八門，一個(gè)電子工程師需要面對(duì)各種各樣的MCU、DSP、FPGA，小眾一點(diǎn)，還有XMOS之類的器件，這也就是為什么用了中央單元這么一個(gè)牽強(qiáng)的詞匯。對(duì)于大部分?jǐn)?shù)字應(yīng)用來說，一個(gè)強(qiáng)大的MCU就足以應(yīng)付，實(shí)在不行就提高頻率，增加面積，一個(gè)不行就兩個(gè)；這也是當(dāng)前的主流思路，畢竟軟件開發(fā)比硬件開發(fā)來得容易的多。當(dāng)然還是有少數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景牢牢地被FPGA占據(jù)，當(dāng)然空間也越來越少，這些少數(shù)的場(chǎng)景主要是高可靠性高性能要求的工業(yè)并行控制、通信行業(yè)、圖像處理行業(yè)等。

　　當(dāng)然，不管怎么說，F(xiàn)PGA都是個(gè)很有趣的平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)任何你想實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路，不幸的是，F(xiàn)PGA的開發(fā)難度很高，特別針對(duì)串行邏輯設(shè)計(jì)，雖然有軟核之類的IP，針對(duì)某些特定應(yīng)用效果也很好，但總有些別扭。當(dāng)然，現(xiàn)在有一種完美的選擇，SOC，以zynq為代表的ARM+FPGA的完美平臺(tái)，不過無奈的是，完美意味著貴，zynq最低端的芯片也要一百多軟妹幣，硬件設(shè)計(jì)難度也很大。比較折中的一種實(shí)現(xiàn)就是MCU芯片+FPGA芯片，通過高速存儲(chǔ)通道進(jìn)行通信，這就是本文討論的主題。類似的平臺(tái)其實(shí)也不鮮見，應(yīng)用極其廣泛的DSP+FPGA就算是一個(gè)變種；當(dāng)然如果三者聯(lián)合起來，那就是一種更有趣的平臺(tái)了。

　　當(dāng)然，一切以應(yīng)用為導(dǎo)向，MCU+FPGA平臺(tái)主要面向?qū)Σ⑿泻屯ㄐ哦加幸欢ㄒ蟮膱?chǎng)合，比如高可靠性的多電機(jī)控制。

器件選型

MCU選型

　　如今的MCU也是五花八門，雖然ARM有點(diǎn)一家獨(dú)大的意思，MIPS、PPC甚至51也都還有一定的生存空間。從去年開始接觸MCU以來，一共也就接觸了AVR、STM8S、STM32三個(gè)類型五六種型號(hào)的芯片，接觸不算多，認(rèn)識(shí)可能還不夠。總的來說，AVR在STM32以前很是火了一把，用起來比較舒服，相對(duì)穩(wěn)定，但價(jià)格較高二解密簡(jiǎn)單，慢慢走向沒落，如今atmel已被收購，一代霸主悄然落幕。PIC沒有用過，網(wǎng)上的說法是極其穩(wěn)定，相對(duì)小眾。MSP系列主要面向低功耗，不過TI的開發(fā)環(huán)境個(gè)人覺得比較好。C8051系列只基本接觸過，了解不深，似乎沒有太大的特色。那么，現(xiàn)在到底應(yīng)該選擇哪一款MCU呢，沒錯(cuò)，ST的；不過先說說缺點(diǎn)，STM8系列并沒有使用ARM核心，開發(fā)環(huán)境比較麻煩，當(dāng)然，IAR for STM8S已經(jīng)有和諧了；早期的STM32和STM8系列的晶振電路都不穩(wěn)定，容易受干擾，雖然現(xiàn)在似乎沒有類似的抱怨，但總有些擔(dān)心；此外ST的產(chǎn)品體系還是比較大的，庫也比較大，資料較為分散，對(duì)于初學(xué)者和其他平臺(tái)轉(zhuǎn)型過來的開發(fā)者在最初并不是那么友好。再來說說優(yōu)點(diǎn)，系列完整，可以用一個(gè)體系應(yīng)對(duì)基本所有MCU需求，調(diào)試器便宜（當(dāng)然是山寨的）且穩(wěn)定，僅此兩條就足以讓人動(dòng)心了，更何況其廣泛的群眾基礎(chǔ)以及低廉的價(jià)格。

　　ST有兩個(gè)大系列，STM8和STM32，分別是8位和32位的MCU，前者應(yīng)該是ST自主研發(fā)的核心，后者是ARM核心。其實(shí)除了心里上的5V完全兼容和稍稍低廉的價(jià)格，STM8應(yīng)該已經(jīng)沒有多少市場(chǎng)，當(dāng)然針對(duì)批量的極其低端的應(yīng)用還是可以考慮的。STM32系列大部分都能夠兼容5V電平，當(dāng)然心理上還是做個(gè)電平轉(zhuǎn)換比較安心，如今主流的電壓還是3.3V，針對(duì)不同的應(yīng)用，ST推出了不同等級(jí)的芯片。這里就從STM32系列中選擇一個(gè)目標(biāo)型號(hào)。

　　由于不需要低功耗，首先排除STM32L系列，

FPGA選型

　　FPGA基本現(xiàn)在就兩大陣營(yíng)，X家和A家，Altera如今已經(jīng)被Intel收購，兩家如今都把心思放在中高端市場(chǎng)，都在大力發(fā)展SOC技術(shù)。隨著MCU等通用處理器的性能越來越強(qiáng)，特別是在ARM大行其道的背景之下，F(xiàn)PGA的前景越來越不明朗，中低端市場(chǎng)逐漸成為MCU的天下，F(xiàn)PGA的圈子越來越小，對(duì)于學(xué)習(xí)來說，這當(dāng)然是個(gè)不幸的消息，如今的FPGA器件基本都采用了BGA封裝，這對(duì)于沒有條件的初學(xué)者來說是個(gè)很大的障礙?？偟膩碚f，F(xiàn)PGA選型并不是一個(gè)很困難的事，可選芯片相比MCU來說要少得多。對(duì)于剛剛開始FPGA開發(fā)或者沒有加工條件的開發(fā)者來說，選擇一款QFP型的芯片能減輕不少困難；但對(duì)于FPGA來說，容量和管腳數(shù)目是最重要的指標(biāo)，貼片類型的芯片極大限制了管腳數(shù)目，相應(yīng)的也限制了邏輯量。針對(duì)普通應(yīng)用來說，低端的貼片型芯片也可以滿足要求。由于對(duì)Xilinx不是很熟悉，這里選擇了Altera的Cyclone IV中的EP4CE10E22C8N的芯片作為目標(biāo)芯片。

電路設(shè)計(jì)

　　選定芯片之后就需要針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，主要包括主芯片接口設(shè)計(jì)和外圍電路設(shè)計(jì)。由于STM32更加適合串行邏輯設(shè)計(jì)，而FPGA更加適合并行邏輯設(shè)計(jì)，因此把STM32用作與外界通信、復(fù)雜邏輯管理以及浮點(diǎn)型運(yùn)算，F(xiàn)PGA用作并行擴(kuò)展和底層驅(qū)動(dòng)。

FPGA與STM32通訊

　　FPGA與STM32各司其職，但作為系統(tǒng)，兩者之間需要進(jìn)行簡(jiǎn)單高速的通信，簡(jiǎn)單即邏輯簡(jiǎn)單，通訊接口不能和網(wǎng)絡(luò)接口那樣復(fù)雜，通訊不需要復(fù)雜的協(xié)議和可靠性保證（板上傳輸相對(duì)可靠，無須復(fù)雜機(jī)制）。此外，兩者之間需要告訴通信以保證良好的延時(shí)和一定的帶寬。最常見的手段就是將FPGA模擬成SRAM，MCU或者DSP通過告訴存儲(chǔ)接口訪問FPGA的數(shù)據(jù)，如果配合類似SDRAM的接口，則兩者之間的地址可以擴(kuò)展到很高。對(duì)STM32來說，使用FSMC或者FMC接口與FPGA通訊是首選，如果增加一個(gè)IO作為FPGA的中斷，則能保證極好的雙向通訊延時(shí)。當(dāng)然，在FPGA的管腳不是很富裕的情況下，也可以通過SPI甚至USRT之類的進(jìn)口進(jìn)行通訊，當(dāng)然串行會(huì)影響極限的通訊速率，而且邏輯也會(huì)更加復(fù)雜。當(dāng)然還有一種選擇是在MCU具備LVDS之類差分串行接口時(shí)，使用差分串行接口能保證極高的通訊速率和較低的管腳開銷。

電源設(shè)計(jì)

　　由于如今的集成電路主頻越來越高，核心電壓也越來越小，STM32的IO采用了3.3V的電壓（大部分IO能夠容忍5V電壓），而FPGA普遍采用了寬電壓兼容，但最高只能支持到3.3V；FPGA的電源相對(duì)MCU來說要復(fù)雜，除了IO電壓還需要提供核心電壓、PLL電壓等不同標(biāo)準(zhǔn)的電壓（可能是通用型的考慮，F(xiàn)PGA并沒有內(nèi)建電源轉(zhuǎn)換模塊，至少Altera是這樣）；此外，F(xiàn)PGA對(duì)于電源穩(wěn)定性有著更高的要求，當(dāng)然根據(jù)負(fù)載不同應(yīng)該有較大的浮動(dòng)空間，當(dāng)然，更為麻煩的是有些FPGA對(duì)于上電順序有一定的要求，比如zynq的兩種邏輯部分上電順序有一定時(shí)許要求。

　　對(duì)于一個(gè)一般的系統(tǒng)來說，比如我們的目標(biāo)系統(tǒng)，我們需要3.3V、2.5V、1.2V三種電源。其中，3.3V主要供給STM32和FPGA的IO；2.5V是輔助電源，直接相關(guān)的是JTAG電路，1.2V是核心電壓以及PLL電源。相對(duì)來說3.3V和1.2V電源電流要求比較大；當(dāng)然，如果有DDR之類的差分信號(hào)，IO電源為2.5V的話，2.5V的電流也會(huì)要求比較高。對(duì)于一般應(yīng)用來說，用個(gè)AMS1117就能完成所有電壓要求，但如果要求高，那么使用小型DCDC會(huì)有比較好的效果，比如MP2144，配合一體成型電感會(huì)有很好的電路面積。

STM32外圍電路設(shè)計(jì)

FPGA外圍電路設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)