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      淺談單片機(jī)與FPGA的異同

      2016-11-02 23:37黃金鳳
      電腦知識與技術(shù) 2016年23期
      關(guān)鍵詞:異同單片機(jī)

      黃金鳳

      摘要:對于普通高校電子與通信專業(yè)的學(xué)生,一般在大二、大三學(xué)期會(huì)學(xué)習(xí)關(guān)于單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DSP、EDA、FPGA、CPLD等相關(guān)課程。學(xué)生學(xué)習(xí)完這些課程后,對于這些硬件之間的異同掌握的不是很好,而對于程序設(shè)計(jì)語言卻能熟練掌握。其實(shí),單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、DSP等硬件電路固定的芯片,它們是根據(jù)存儲(chǔ)程序控制原理,由芯片執(zhí)行一條條指令完成數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、處理、展現(xiàn)等功能;而FPGA、CPLD芯片屬于可編程邏輯器件,它們的電路結(jié)構(gòu)不是固定的,可以通過特定的描述方式得到不同的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu),從而完成不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。本論文從內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和開發(fā)方式兩方面簡述單片機(jī)和FPGA芯片,旨在幫助學(xué)生理清電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的核心芯片之間的異同,更好的學(xué)習(xí)本專業(yè)相關(guān)課程,更早的認(rèn)識到未來工作方向。

      關(guān)鍵詞:單片機(jī); FPGA;異同

      中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2016)23-0201-03

      1 概述

      信息技術(shù)正在快速發(fā)展,其應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)方面。如今越來越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展,其中有的產(chǎn)品還需要實(shí)時(shí)控制和信號處理。電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,它迫切要求電子設(shè)計(jì)技術(shù)也有相應(yīng)的變革和飛躍。現(xiàn)在學(xué)校為了適應(yīng)社會(huì)對于電子技術(shù)人才的需求,普通院校一般都開設(shè)關(guān)于單片機(jī)、嵌入式ARM、DSP、EDA、FPGA等相關(guān)課程,很多學(xué)生學(xué)完這些課程后,對這些芯片異同比較模糊,而對于程序設(shè)計(jì)語言卻能熟練掌握。簡單從定義上講,單片機(jī)(MCU),又稱為微控制器,在一塊半導(dǎo)體芯片上集中了CPU,ROM,RAM,I/O Interface, timer/counter, interrupt system, 構(gòu)成一臺(tái)完整的數(shù)字計(jì)算機(jī)。FPGA,現(xiàn)場可編程邏輯陣列,本身沒有什么功能,就像一張白紙,想要它有什么功能完全靠編程人員設(shè)計(jì),你可以把它變成MCU,也可以變成DSP。論文主要從內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和開發(fā)方式兩方面簡述單片機(jī)和FPGA芯片,旨在幫助學(xué)生理清電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的核心芯片之間的異同,更好的學(xué)習(xí)本專業(yè)相關(guān)課程,更早的認(rèn)識到未來工作方向。

      2 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

      2.1 單片機(jī)

      單片機(jī)其實(shí)是將微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在了一塊芯片上,由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線及輸入輸出設(shè)備接口構(gòu)成,遵從計(jì)算機(jī)的工作原理——存儲(chǔ)程序控制原理,所以單片機(jī)與外部輸入輸出設(shè)備的交流是通過程序來控制的,程序存入程序存儲(chǔ)器ROM中,加電后ROM中的程序會(huì)像計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的程序一樣逐條執(zhí)行,執(zhí)行需要的數(shù)據(jù)和生成的數(shù)據(jù)可以存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,單片機(jī)計(jì)算速度和性能有限,但用在一些基本控制上綽綽有余。

      2.2 FPGA

      每一塊FPGA芯片都是由有限多個(gè)帶有可編程連接的預(yù)定義源組成來實(shí)現(xiàn)一種可重構(gòu)數(shù)字電路。FPGA內(nèi)部主要分三塊:可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的I/O模塊??删幊痰倪壿媶卧幕窘Y(jié)構(gòu)是某種存儲(chǔ)器(SRAM、 FLASH等)制成的4輸入1輸出的“真值表”加上一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成??删幊踢B線上有很多用存儲(chǔ)器控制的鏈接點(diǎn),通過改寫對應(yīng)存儲(chǔ)器的值就可以確定哪些線是連上的,而哪些線是斷開的,這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來形成大型的邏輯電路??删幊痰腎/O可以任意的定義某個(gè)非專用引腳(FPGA中有專門的非用戶可使用的測試、下載用引腳)為輸入還是輸出,還可以對I/O的電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。

      通過單片機(jī)和FPGA的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu),我們可以看出,它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同,單片機(jī)可以看作是將功能固定的一些芯片連接起來,外部輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存放于各自存儲(chǔ)器中,由CPU執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)得到輸出結(jié)果,并將輸出結(jié)果傳送給外部輸出設(shè)備。對于FPGA芯片,每個(gè)不同的任務(wù)所設(shè)計(jì)的FPGA內(nèi)部的元器件數(shù)目及其連線是不一樣的,外部輸入設(shè)備輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送給FPGA內(nèi)部的LUT得到輸入數(shù)據(jù)的所有輸出結(jié)果,并將輸出結(jié)果傳送給外部輸出設(shè)備。

      3 開發(fā)方式

      3.1 單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)

      為完成某一任務(wù)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需要包含硬件和軟件系統(tǒng)。硬件和軟件必須緊密結(jié)合,協(xié)調(diào)一致才能正常工作。單片機(jī)只是一塊芯片而已,本身并無開發(fā)能力,要借助開發(fā)工具才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。開發(fā)工具主要包括電腦、編程器(又稱寫入器)、仿真機(jī)。單片機(jī)程序的編寫、編譯、調(diào)試等都是在一定的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。集成開發(fā)環(huán)境仿真軟件(ICE)將文件的編輯,匯編語言的匯編、連接,高級語言的編譯、連接高度集成于一體,能對匯編程序和高級程序進(jìn)行仿真調(diào)試。當(dāng)我們編寫好的程序在集成開發(fā)環(huán)境編譯通過后,會(huì)形成一個(gè)二進(jìn)制文件(文件名與源程序文件名相同,后綴名為“.BIN”)或十六進(jìn)制文件(后綴名為“.HEX”),即形成所謂的目標(biāo)程序。這個(gè)目標(biāo)程序必須利用編程器才能將目標(biāo)文件燒寫到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中,從而讓單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件真正結(jié)合起來,組成一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)。

      3.2 FPGA系統(tǒng)的開發(fā)

      FPGA是專用集成電路ASIC((Application Specific Integrated Circuits),但有其特殊性,是半定制的,可以通過編程的方式改變硬件電路結(jié)構(gòu)。既然需要硬件編程,也需要集成開發(fā)環(huán)境,如Quartus II, Max+PlusII等。通過這些工具,可以完成軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入、編譯、綜合、適配、布局布線優(yōu)化、仿真。集成開發(fā)軟件將硬件描述語言等設(shè)計(jì)輸入文件進(jìn)行編譯、綜合、適配后得到可下載的二進(jìn)制碼流文件(.sof等)。通過編程器將二進(jìn)制碼流文件下載到FPGA芯片里,F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部的電路連接結(jié)構(gòu)就由二進(jìn)制碼流文件確定下來,構(gòu)成了ASIC,加上外圍設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)完整的FPGA系統(tǒng)。

      通過單片機(jī)系統(tǒng)和FPGA系統(tǒng)開發(fā)流程圖,我們可以看出,它們都需要軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證,最終都是生成可下載的二進(jìn)制碼流文件。在各自的集成開發(fā)環(huán)境里,每一步所需的編輯器、編譯器、仿真器、下載器等是不一樣的,F(xiàn)PGA系統(tǒng)里還需要綜合器、適配器,而單片機(jī)系統(tǒng)不需要綜合、適配。綜合是把語言描述的抽象層次較高的設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)化成為抽象層次較低的電路網(wǎng)表,表現(xiàn)為一般的數(shù)字邏輯,能夠?qū)?yīng)到具體的門級邏輯。適配是把綜合后的具體數(shù)字邏輯映射到具體的不同型號當(dāng)中的FPGA器件中去,包括選擇哪一些基本邏輯單元(主要包含LUT和寄存器單元等),以及布局布線等。FPGA需要通過軟件編程改變其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu),所以需要綜合、適配得到軟件平臺(tái)的具體電路結(jié)構(gòu)的映射。

      4 結(jié)語

      單片機(jī)相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī),它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件;而FPGA卻不能看作是一個(gè)微型的計(jì)算機(jī),所以在結(jié)構(gòu)上,單片機(jī)是基于CPU的馮·諾依曼器件,F(xiàn)PGA是基于并行邏輯單元的器件。相應(yīng)的,單片機(jī)的開發(fā)是對指令的編程,F(xiàn)PGA的開發(fā)是對邏輯單元的連接。FPGA要比單片機(jī)底層很多,而且開發(fā)工具也要簡陋很多。兩者的主要應(yīng)用場合也是不一樣的。單片機(jī)適合通用任務(wù)、通用運(yùn)算、標(biāo)準(zhǔn)接口。FPGA適合一些極端任務(wù),同時(shí)做100個(gè)串口收發(fā)器、用幾十個(gè)乘法器做算法的終極改進(jìn)等。

      參考文獻(xiàn):

      [1]王艷林,李東.單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[J],教育教學(xué)論壇, 2016(20).

      [2] 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)[M],北京航空航天出版社,2001.

      [3] 陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M],北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

      [4] 劉守義.單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

      [6] 鄭利浩,王荃. FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)教程,電子工業(yè)出版社,2010.

      [7]吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA,北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

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