电子产品的开发，是在将越来越多的智能嵌入到设计中和在应用的创建、实现和测试所需要的时间之间进行平衡的活动。 电子产品的历史就是一幅向更抽象的设计不断发展的图画，以便有效应对不断提高的复杂性等级。

微处理器和数字设计范例使得一部分设计问题（如向设计中加入更多的智能特性或执行复杂的信号处理功能）从硬连接元件转移到一个高度灵活、容易更新的范畴：软件。 这样，可以在整个设计过程中都很灵活的“软”环境中处理一些复杂性问题。

现在，由于能够以相对较低的成本获得大容量、高性能的可编程器件（如FPGA），这再次改变着这个平衡，允许将先前固定的设计元件（如处理器及其外设元件和逻辑块）转移到软件范畴内(如图1所示)。 这样，可以实现更大的设计灵活性，并允许在开发周期内改变关键的设计决定（如软件和硬件实现之间的功能划分，甚至于处理器的选择）。

阻碍FPGA成为主流应用的障碍
迄今为止，与使用分立现成处理器开发的嵌入式系统的数量相比，基于FPGA的处理器应用的开发很少。 当然，FPGA被广泛使用，可以包含嵌入式系统中的处理器周围的很多胶合逻辑。 但是，处理器及其主要的外设元件大部分仍是硬连接的，并在可编程范畴之外。

这在一定程度上是价格问题。 过去，与可比拟的现成微控制器单元(MCU)相比，大型的、足以为处理器应用提供平台的FPGA昂贵得多。 因此，设计者需要一个很好的理由，来说明采用FPGA方法所发生的额外费用是合理的，这限制了FPGA的应用范围。 不过，最近Xilinx® Spartan™-3系列之类的器件降低了费用，并且与适当的基于FPGA的处理器核组合使用时，也改变着性价比。

价格并不是阻碍FPGA成为嵌入式系统平台主流应用的唯一障碍。 另一个可能更难解决的问题在改变着我们对可编程逻辑器件的总体想法。 我们不能将FPGA简单地看作集成逻辑块的有效方法，我们的目光应该长远一些，在FPGA提供的可重配置性的情况下，重新评价整个设计过程。

综观全局
之所以从全局看待FPGA与嵌入式设计的关系，在于微处理器自身的历史。 最初设计用于计算器，然后用于个人计算机，微处理器引起了主流电子设计的革命，使得使用微处理器的产品的售价是先前的几分之一。 这项技术发展到一定程度时，需要采用一种用户友好的开发范例－此时，采用高级编程语言如C语言。

利用软件的灵活性和功能，可以用新的方式来创建设计，无需重新设计硬件就可以产生系统的大部分功能，并可在运行中对其进行修改。 使用C语言对嵌入式应用进行编程的能力，意味着大量的设计人员都可以利用这种软件功能和灵活性，使基于嵌入式处理器的设计成为电子行业的主流。

通过大大增加“软”系统的数目，FPGA具有引发与处理器类似的设计革命的潜力。如前所述，现在，大型可编程器件能够以和分立处理器系统相比的售价获得。 推动FPGA在嵌入式应用中的使用，需要一个用户友好的、可访问的开发方法，便于将处理器、外设硬件和软件集成在一个可编程平台中。 这种方法应该允许FPGA设计和板设计过程进行集成，并便于在这个新的“软”设计范例内进行快速设计修改。

对用户友好开发范例的需要
通常，FPGA设计技巧围绕作为较大系统的元件的FPGA。 但是，当FPGA是系统平台时，在HDL范围内找到需要的系统元件、并在寄存器传送级进行例化，是很复杂的过程。大多数非FPGA专家的工程师，对这个过程心存畏惧。

如果是在板级开发一个非常复杂的系统，这些工程师则可以非常轻松地完成设计。 在板级，系统的复杂性分散在用来创建设计的现成元件中。 工程师仅需要使用这些元件，而无需了解其复杂性。

释放FPGA作为主流嵌入式系统平台的潜力的关键，是在现在的板级设计实践和基于FPGA系统的设计之间，提供无缝的转换。

桌上型设计的前景
最近，出现了顺应这个趋势的开发——Altium Designer，这是设计解决方案供应商Altium Limited推出的一个电子产品开发系统。 Altium Designer提供了一个用于FPGA的图形化的采集环境，包括高级FPGA元件库。 这些元件包括一系列处理器核和外设，它们为大量的目标FPGA器件提供了预综合。 这些元件是现成的，使得系统硬件设计成为一种拖-放操作(如图2所示)。

系统包括自身的免版费的、32位处理器TSK3000，这种处理器可以在一系列FPGA器件和系列中使用。 支持的其他执行平台包括Xilinx MicroBlaze™核和嵌入在Virtex™-II Pro器件中的硬PowerPC™处理器。

Altium Designer大量使用免版费的Wishbone处理器互连总线，为便于与处理器外设互连，还提供了几种可配置的总线连接元件。 用于MicroBlaze和PowerPC处理器的基于Wishbone的封装核，使得无需重新改变系统，即可在处理器之间重新改变设计目标。 在软件级，一个通用的编译器引擎和集成工具链支持这个过程。

这种方法使得嵌入式开发者可以为他们的应用选择最合适的执行平台。 您可以使用中立的TSK3000开始设计，然后，如果需要较高的性能，可以将它移植到PowerPC上，或移植到为您的目标指向的特定Xilinx器件而优化的MicroBlaze解决方案中。

结论
Altium Designer使硬件开发者可以使用已有的技能，将系统复杂性从板级转移到“软”可编程逻辑的范畴。 这样，大量的工程师可以从硬连接系统元件和设计中解放出来，进入到一个构成产品的智能软件和硬件都可以很容易改变的环境中来。

从出现廉价微处理器开始的软化设计过程的趋势，由于最近FPGA技术的进步而达到新的水平。 现在，电子器件中的大部分智能主要存在于嵌入式软件中。 使用FPGA，嵌入式智能可以跨越可编程平台内的软件和软连接元件(如图3所示)。 主流嵌入式开发者利用这个潜力，将大大提高FPGA的使用率，并奠定了未来电子产品的基础。

了解Altium Designer及其能力方面的更多信息，或新兴软设计范例方面的更多信息，请访问www.altium.com。

带图形的、可打印PDF英文版文章。  (9/1/05) 360 KB