摘要：FPGA的IO可編程，這給邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的靈活性和獨(dú)立性。在編程器的硬件實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)PGA就是充當(dāng)一個(gè)“千手觀音”的角色，為邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)鋪路架橋，靈活實(shí)現(xiàn)各種功能。

FPGA是一種“半定制”的芯片，其中一個(gè)特性就是IO口可編程，這個(gè)特性對(duì)編程器能與各類(lèi)封裝芯片互連有很大幫助作用。

MCU的管腳功能都是固定的，與外部接口通常使用IO口或者總線(xiàn)連接。普通IO口其實(shí)本質(zhì)就是寄存器，這些寄存器都有一個(gè)相應(yīng)的地址，操作IO口就是操作寄存器;片內(nèi)外設(shè)相對(duì)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)具有特定功能模塊，其內(nèi)部包含多個(gè)寄存器控制不同的功能執(zhí)行，但是這些寄存器也有固定的地址。通過(guò)存儲(chǔ)器映射的方式，把片內(nèi)外設(shè)和CPU連接起來(lái)，組成一個(gè)系統(tǒng)。

值得注意的是，這些片內(nèi)外設(shè)對(duì)外接口都是連接固定的管腳，如果要對(duì)這些外設(shè)控制完成特定的功能設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)隱含了對(duì)這些管腳控制了。比如說(shuō)，MUC的IIC接口的SCK和SDA分配在99和100腳，那么所有IIC接口的存儲(chǔ)芯片都必須與這兩個(gè)腳連接，如圖1所示。

圖1 請(qǐng)排好隊(duì)列

各類(lèi)需要編程的芯片如果要與MCU連接，就必須與之對(duì)應(yīng)的接口連接，對(duì)于復(fù)雜腳多的芯片，這對(duì)PCB的布局布線(xiàn)有很大的局限性和挑戰(zhàn)性。

FPGA就以靈活性見(jiàn)長(zhǎng)，可編程IO就是其中的一個(gè)重要功能。可編程IO給PCB的設(shè)計(jì)帶來(lái)靈活性，可以簡(jiǎn)化PCB的布局布線(xiàn)，并且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還可以根據(jù)走線(xiàn)的走向更改管腳的連接。另外，在FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以先把功能模塊設(shè)計(jì)與管腳分配兩步獨(dú)立開(kāi)來(lái)，先完成內(nèi)部邏輯功能之后，再根據(jù)實(shí)際情況分配管腳。因此，可編程IO給FPGA邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的靈活性和獨(dú)立性，其在這個(gè)環(huán)節(jié)中充當(dāng)一個(gè)“千手觀音”的角色，為邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)鋪路架橋，如圖2所示。

圖2 可編程IO示意圖

實(shí)際FPGA內(nèi)部并不像圖2那么簡(jiǎn)單，這里只是為了形象說(shuō)明可編程IO可以使內(nèi)部邏輯和PCB可以相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)。對(duì)于同類(lèi)接口，不必因?yàn)镻CB改變而更改時(shí)序邏輯，只需要更改引腳分配，大大簡(jiǎn)化了PCB的布線(xiàn)難度。

FPGA被稱(chēng)為“千手觀音”僅僅是數(shù)量多、動(dòng)作靈活嗎?他還有更強(qiáng)大的功能，就是內(nèi)部邏輯可編程。

在最初的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，F(xiàn)PGA并沒(méi)有實(shí)際的電路，只有完成了設(shè)計(jì)之后才有某種特定的功能電路。這種結(jié)構(gòu)含有以下特性：

1、在理想情況下，可以實(shí)現(xiàn)多種接口;

2、可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序，兼容更多芯片;

3、資源可重復(fù)利用，在某時(shí)間段，只需要一個(gè)接口邏輯，節(jié)省FPGA資源和配置器件的存儲(chǔ)空間。

相對(duì)地，如果用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，則有以下缺點(diǎn)：

1、 如果MCU沒(méi)有相應(yīng)的接口，將難以實(shí)現(xiàn)與含有該接口的存儲(chǔ)芯片通信(可能會(huì)用IO模擬);

2、 即使接口相同，由于功能基本固定，面對(duì)一些特殊的芯片，將力不從心;

3、 由于輸出口線(xiàn)的固定，導(dǎo)致與外部接口的PCB布線(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn);

被編程的芯片接口種類(lèi)較多，比如IIC和SPI，如果要MCU同時(shí)具備這些接口，口線(xiàn)必定復(fù)雜而且速度有限。FPGA無(wú)需考慮這個(gè)問(wèn)題，由于其內(nèi)部邏輯可由設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)，那么編程器可根據(jù)接口需要來(lái)定制對(duì)應(yīng)的邏輯，省時(shí)省力，效率非常高。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中靈活使用FPGA這個(gè)“千手觀音”，讓編程器功能更靈活、更高效。