CC BY
38Новое семейство цифро-аналогового
программируемого системного чипа Actel SmartFusion
Сергей КАРПОВ
karpov@actel.ru
В первых числах марта корпорация Actel представила новое цифроаналоговое семейство программируемых системных чипов (ПСЧ) SmartFusion, выполненных по технологии FLASH.
Новое семейство SmartFusion уже трудно назвать ПЛИС, поэтому корпорация Actel позиционирует его на рынке микроэлектроники как программируемый системный чип, включающий в себя и программируемую матрицу. В состав микросхем этого семейства входят конфигурируемая аппаратная микропроцессорная подсистема с процессором ARM Cortex-M3 и набор контроллеров, аналоговый блок
и непосредственно матрица FLASH ПЛИС (рис. 1). Подобная архитектура SmartFusion позволяет быстро и эффективно создавать цифро-аналоговые системы на кристалле (СнК) с требуемой функциональностью.
Микропроцессорная подсистема
Интегрированный в ПСЧ 32-битный процессор ARM Cortex-M3 может работать
на частоте до 100 МГц. Микропроцессорная подсистема включает в себя также ряд блоков и контроллеров (рис. 2):
• блок супервизора;
• 2 таймера;
• контроллер Ethemet MAC 10/100;
• по два контроллера последовательных интерфейсов UART, ЭГХ;
• контроллер прямого доступа в память (ПДП);
Супервизор
(Кварцевый ''j ( RC ''j Г Сторожевой ''j
генератор J генератор J ^ таймер J
гас
32 кГц
Часы
реального
времени
^ SPI_0 | ^ UART_0 j [ 12С_0 ]
EEPROM 1 кбит
Аналоговый блок
Изм.тока ( Л Компаратор
Иэм. температуры [ Изм. напряжения
Г л
Аналоговый блок
с > Изм.тока \ Компаратор
Изм. температуры [ \ Изм. напряжения
Системные
Регистры
ARM®Cortex™-M3
гЧ +ЗВ ^ РПЗУ J ^ ОЗУ
ik 1, Ik
SmArtFusion™
□ Микропроцессор субсистема (МСС)
□ Конфигурируемая аналоговая часть
[ ] плис
Шина АНВ
Контроллер прямого доступа в память (ПДП)
АРВ_2
~ж~
____
АРВ_1
Контроллер внешней памяти
___________І_____
Аналоговый
вычислительный
блок
Контроллер
управления
выборкой
Контроллер
постобработки
Г 10/100 I
^ ЕМАС J
Таймер_1
Таймер_2
SPI_1
UART_1
I2C_1
Матриц а универсальных логических ячеек V ersaTile
| 111 111 11 11 111 | ::: • • •
^ ОЗУ j [°ЗУ j ^ ОЗУ j ООО ^ ОЗУ j ^ ОЗУ j ^ ОЗУ j
Рис. 1. Архитектура ПСЧ SmartFusion
Рис. 2. Панель конфигурации микропроцессорной субсистемы
• контроллер внешней памяти;
• интегрированные в ПСЧ Flash ПЗУ, объемом до 64 кбайт;
• ОЗУ, объемом до 512 кбайт.
Блок супервизора — в ПСЧ Fusion он назывался блоком часов реального времени — состоит из кварцевого и RC-генераторов, часов реального времени (40-битного счетчика) и сторожевого таймера, а также формирователя тактовой частоты с умножителем. Аппаратные контроллеры, аналоговый блок и контроллеры, собранные в матрице ПСЧ, подключаются к процессору через шину АМВА. Состав контроллеров определяется пользователем при конфигурации микропроцессорной подсистемы в пакете Libero IDE.
На панели конфигурации МСС можно не только выбрать контроллеры, которые будут присутствовать в подсистеме, но также их сконфигурировать. Например, с панели МСС можно вызвать панель конфигурации аналоговой части.
Аналоговая часть
Аналоговая часть включает в себя до двух 12-разрядных АЦП и Sigma-Delta ЦАП, до пяти аналоговых квадрантов и блок предварительной обработки (БПО) аналоговых данных. Аналоговый квадрант имеет пять измерительных каналов: 2 канала измерения напряжения и по одному каналу измерения тока и температуры, а также компаратор напряжения.
БПО можно условно разделить на две подсистемы — контроллер управления выборкой (КУВ) и контроллер постобработки (КПО). Блок позволяет выполнить неслож-
ную предварительную обработку оцифрованных данных без участия процессора. КУВ обеспечивает возможность автоматически выполнять калибровку АЦП, циклическую оцифровку входных данных с заданным периодом, непрерывную работу ЦАП, отслеживание превышения или понижения заданных порогов входным сигналом и формирования соответствующего сигнала прерывания.
Матрица ПЛИС
Матрица ПЛИС та же, что и в ПЛИС семейств ProASIC3, IGLOO и Fusion. Она
представляет собой массив универсальных ячеек VersaTile и интегрированные блоки ОЗУ/FIFO.
Для создания и отладки проектов для ПСЧ SmartFusion необходима последняя версия интегрированной среды разработки Actel Libero IDE версии 9.0. Пакет содержит весь необходимый набор IP-модулей и инструментов, позволяющих быстро и эффективно создавать, отлаживать и верифицировать проекты процессорных цифроаналоговых систем.
Разработка и отладка программного обеспечения для процессора Cortex-M3 может производиться как в предоставляемой Actel бесплатной среде SoftConsole версии 3.1, так и в коммерческих пакетах KeilMDK-ARM Microcontroller Development Kit или IAR EmbeddedWorkbench (рис. 3).
Все три блока ПСЧ SmartFusion — аналоговый, МСС и матрица ПЛИС — являются относительно независимыми. Каждый из них может быть использован полностью или частично, что позволяет разрабатывать системы с требуемыми характеристиками и функциональностью и при этом минимизировать потребление мощности микросхемы. Наличие гибких конфигурируемых связей между отдельными блоками предоставляет разработчикам возможность создавать проекты, которые ранее на дискретных элементах было реализовать достаточно трудно, а то и вовсе невозможно. Это позволяет оптимизировать не только аппаратную часть, но и потоки данных и информационную нагрузку между элементами системы, что, в итоге, ведет к снижению требований по быстродействию и вычислительной мощности процессора.
Объединение в одной микросхеме цифровой и аналоговой части позволяет значительно упростить разработку и отладку
Процесс разработки проекта ПЛИС
Libero
Разработка ПО процессора
Конфигурация в графическом интерфейсе
SmartFusion Evaluation Kit SmartFusion Development Kit
Рис. 3. Процесс отладки проекта ПЛИС и ПО процессора
проектов. Раньше, при разработке систем на дискретных элементах, в случае ошибки в схеме, необходимости изменить параметры аналоговой части или добавить какой-либо контроллер, например, таймер или UART, нередко требовалось сделать новую печатную плату. С появлением SmartFusion в большинстве случаев достаточно доработать проект ПСЧ и сделать новую прошивку.
C появлением ПСЧ SmartFusion стало возможным разработать полноценные цифроаналоговые системы в одном кристалле с минимальной внешней периферией. Это позволяет значительно уменьшить не только потребление всей системы в целом, но и ее габариты.
ПСЧ Actel SmartFusion можно использовать в широком спектре приложений в различных областях — промышленности и медицине, энергетике, телекоммуникации и многих других. Низкое потребление мощности и возможность управления потреблением открывает широкие возможности по применению в портативной технике.
Рис. 4. Плата из набора SmaгtFusionEvaluationKit
В качестве примеров можно привести решения, предлагаемые Actel, по интеллектуальному управлению электроприводами, систем контроля и управления питанием или стационарному и портативному медицинскому диагностическому оборудованию. ПСЧ может также найти широкое применение в разработке модулей для систем на платформе xTCA. С примерами разработок можно ознакомиться на сайте фир-
Рис. 5. Плата из набора SmaгtFusionDevelopmentKi
мы PigeonPoint — ведущего производителя оборудования для xTCA.
Для поддержки разработчиков корпорация Actel предлагает два демонстрационных набора: SmartFusionEvaluationKit (рис. 4) и SmartFusionDevelopmentKit (рис. 5). ■
