前言

　　如今的電子中央單元五花八門,，一個電子工程師需要面對各種各樣的MCU、DSP,、FPGA,，小眾一點，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牽強(qiáng)的詞匯,。對于大部分?jǐn)?shù)字應(yīng)用來說，一個強(qiáng)大的MCU就足以應(yīng)付,，實在不行就提高頻率,，增加面積，一個不行就兩個,；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都是個很有趣的平臺,，能夠?qū)崿F(xiàn)任何你想實現(xiàn)的數(shù)字電路,，不幸的是，F(xiàn)PGA的開發(fā)難度很高,，特別針對串行邏輯設(shè)計,，雖然有軟核之類的IP，針對某些特定應(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，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)計難度也很大,。比較折中的一種實現(xiàn)就是MCU芯片+FPGA芯片,，通過高速存儲通道進(jìn)行通信，這就是本文討論的主題,。類似的平臺其實也不鮮見,，應(yīng)用極其廣泛的DSP+FPGA就算是一個變種；當(dāng)然如果三者聯(lián)合起來,，那就是一種更有趣的平臺了,。

　　當(dāng)然，一切以應(yīng)用為導(dǎo)向,，MCU+FPGA平臺主要面向?qū)Σ⑿泻屯ㄐ哦加幸欢ㄒ蟮膱龊?，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有點一家獨大的意思,，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,、STM32三個類型五六種型號的芯片,，接觸不算多，認(rèn)識可能還不夠?？偟膩碚f,，AVR在STM32以前很是火了一把，用起來比較舒服,，相對穩(wěn)定,，但價格較高二解密簡單，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，相對小眾,。MSP系列主要面向低功耗,，不過TI的開發(fā)環(huán)境個人覺得比較好。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，ST的,；不過先說說缺點,，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,，對于初學(xué)者和其他平臺轉(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，系列完整,，可以用一個體系應(yīng)對基本所有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心了，更何況其廣泛的群眾基礎(chǔ)以及低廉的價格,。

　　ST有兩個大系列,，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。其實除了心里上的5V完全兼容和稍稍低廉的價格,，STM8應(yīng)該已經(jīng)沒有多少市場,，當(dāng)然針對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)然心理上還是做個電平轉(zhuǎn)換比較安心,，如今主流的電壓還是3.3V，針對不同的應(yīng)用,，ST推出了不同等級的芯片,。這里就從STM32系列中選擇一個目標(biāo)型號。

　　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，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，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,，中低端市場逐漸成為MCU的天下,，F(xiàn)PGA的圈子越來越小，對于學(xué)習(xí)來說,，這當(dāng)然是個不幸的消息,，如今的FPGA器件基本都采用了BGA封裝，這對于沒有條件的初學(xué)者來說是個很大的障礙,?？偟膩碚f，F(xiàn)PGA選型并不是一個很困難的事,，可選芯片相比MCU來說要少得多,。對于剛剛開始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

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

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)行簡單高速的通信，簡單即邏輯簡單,，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STM32來說，使用FSMC或者FMC接口與FPGA通訊是首選,，如果增加一個IO作為FPGA的中斷,，則能保證極好的雙向通訊延時。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)然串行會影響極限的通訊速率,，而且邏輯也會更加復(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，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

　　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)該有較大的浮動空間,，當(dāng)然,，更為麻煩的是有些FPGA對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許要求,。

　　對于一個一般的系統(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,，IO電源為2.5V的話，2.5V的電流也會要求比較高,。對于一般應(yīng)用來說,，用個AMS1117就能完成所有電壓要求，但如果要求高,，那么使用小型DCDC會有比較好的效果,，比如MP2144，配合一體成型電感會有很好的電路面積,。

STM32外圍電路設(shè)計

FPGA外圍電路設(shè)計

程序設(shè)計