淺談單片機(jī)與FPGA的異同

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。

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