如何將MCU與FPGA進行配對以達到提高系統(tǒng)效率的目的

FPGA已經(jīng)變得如此具有成本效益，因此它們越來越多地與mcu結(jié)合使用，以提高整體系統(tǒng)效率。用途包括在的電路板空間中添加額外的功能，為復(fù)雜算法的前端添加節(jié)能處理，聚合多個外部設(shè)備以卸載高性能MCU或作為使現(xiàn)有設(shè)計適應(yīng)新的所需的“粘合”邏輯在接口要求方面，F(xiàn)PGA提供了標(biāo)準(zhǔn)MCU中常常缺乏的額外靈活性。本文將快速回顧一些的應(yīng)用，其中FPGA和MCU“配對”，以展示如何通過降低功耗，減小電路板空間，提高處理性能或接口靈活性來提高系統(tǒng)效率，從而顯著改善您的下一個設(shè)計。

FPGA作為MCU配套器件

您為設(shè)計選擇的MCU多久沒有完全具備您需要的所有接口通道？或許您對MCU的初始選擇非常合適，但是出現(xiàn)了新的要求，因為您的客戶需要為其設(shè)計添加一些額外的接口。您可能可以使用更復(fù)雜的MCU，但這可能會增加顯著的電路板空間（因為它僅在高引腳數(shù)封裝中可用），功率增加（因為它只能提供比您真正需要的更多閃存和SRAM） 或者更高的成本（出于上述兩個原因）。

解決這個難題的一種方法是通過在MCU旁邊添加FPGA來規(guī)劃對額外接口的需求。FPGA可以輕松提供額外的接口，只需提供您需要的接口，同時限制電路板空間，成本和功耗的增加。實際上與使用更復(fù)雜的MCU的選項相比，通常會減少電路板空間，降低成本并降低功耗。

例如超低功耗FPGA可在極小的2.078 mm×2.078 mm電路板占板面積內(nèi)提供多達26個信號IO，并且由于這些器件是通過片上NVM配置的，您不需要額外的電路板空間用于配置設(shè)備。這些FPGA還有兩個專用的I2C接口和兩個專用SPI接口，具有大量可配置邏輯，可以根據(jù)應(yīng)用需要添加更多接口（直到用完引腳）。

該器件還具有高達80kbits的嵌入式Block RAM，可用于接口FIFO和緩沖器，因此MCU可以等待整個數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備好進行處理。在將數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU之前，DSP模塊還可用于對原始傳感器數(shù)據(jù)進行低級數(shù)據(jù)處理，作為預(yù)處理步驟。當(dāng)FPGA可以在中斷MCU之前智能地聚合數(shù)據(jù)時，可以大幅降低MCU功耗。

快速響應(yīng)FPGA接口請求

使用FPGA配套器件時，快速響應(yīng)FPGA的服務(wù)請求非常重要。例如音頻接口可能需要具有比傳感器數(shù)據(jù)更高的優(yōu)先級訪問權(quán)，因為必須避免音頻數(shù)據(jù)中的“停頓”或者用戶體驗可能顯著降低。通常能夠支持各種中斷優(yōu)先級有助于提高FPGA伙伴的實用性，并進一步提高整體系統(tǒng)性能和功效。

有效使用DMA還有助于進一步卸載MCU并提高效率。例如FPGA可能首先緩沖預(yù)處理原始數(shù)據(jù)的完整數(shù)據(jù)包，以減小需要存儲和傳輸?shù)南⒌拇笮?。FPGA可以中斷MCU并啟動DMA傳輸，將整個消息移動到MCU存儲器中。一旦DMA傳輸完成并且整個消息準(zhǔn)備好進行處理，就可以中斷CPU并開始對消息進行處理。

例如32位MCU有一個DMA控制器和一個中斷控制器，兩者都是可編程優(yōu)先級。中斷控制器在右側(cè)有一個優(yōu)先級塊，它為CPU產(chǎn)生中斷級。優(yōu)先級塊選擇具有優(yōu)先級的中斷，由與每個中斷源相關(guān)的中斷優(yōu)先級寄存器（IPRn）中的中斷級別字段定義。因此可以在I2C端口上為較高優(yōu)先級的源（例如實時音頻接口）分配比低頻傳感器更高的優(yōu)先級，以保證更快的處理。

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