ASIC与ARM的“强手联合”

引言

嵌入式世界的范围和概念极其广泛，可以从ASIC到MCU，而ASIC是有着巨大的潜力和创新力的一种技术，尽管它的设计非常昂贵，并且所需世界要花费数年，但这依然不影响它的巨大市场潜力。相比而言，单片机方案就便宜得多，时间花费也短，只需几个月甚至几周就可以了。但是不论ASIC还是单片机，他们都收到第三方芯片的限制。在最终产品上来说，他们还是有很多相似点和共同点的，都主要使用ARM CPU核，包含标准的通信接口，片内整合了大量的模拟功能，支持低功耗工作和快速唤醒。

图1 嵌入式设计SoC和MCU对照图

这个对照图中间的是可编程平台，它的设计不发生在硅级别，但能从功能上提供巨大的灵活性，可以集成到一个器件上。这种类型最明显的例子就是FPGA和CPLD，他们功能强大，容量巨大。然而，这些器件并不能称之为可编程平台，因为他们都是集中在数字领域的。

为了在ASIC和MCU之间架起真正的桥梁，那就需要一个可编程平台，这个平台能够提供模拟和数字功能的灵活性，不需要设计者是这两方面的专家就能做好设计。设计者想要这样的平台，在标准的MCU上加上可编程功能，利用他们现成的工具和系统。那么，理想的系统是这样的，完全适合一种应用，片上提供所有所需的外围器件和接口，性能表现恰如其分，并没有不需要的还要付钱的功能。

要实现这样的灵活性需要一个平台，这个平台可以支持在SoC里实现可定制配置的高性能模拟功能和可编程数字逻辑，而不需要开发人员成为HDL或模拟设计的专家。微控制器有一些工具和模拟功能，但缺少配置性。FPGA有可配置的逻辑，也可以提供比较好的软件，但是他们的缺点仍在于模拟方面和不能真正的低功率运作。

1 ARM是实际应用中的嵌入式标准

许多年来，ARM构架一直是ASIC设计事实上的标准，在很多高端嵌入式市场占统治地位，英特尔公司一直致力于个人电脑的使用推广（没有反编程克隆的问题）。在几年前，Cortex M系列处理器核发布之后，人们很难找到一个没有ARM核的现代单片机。

这种说法的真实性可以从遍布嵌入式工业的ARM支持者看出。跟SoC IP供应商谈及他们的目标新产品使用的第一个总线体系结构时，结果永远是ARM的AMBA。和实时操作系统（RTOS）公司（那些还没有被半导体公司购买）交谈时，他们会告诉你，支持ARM是他们新产品的最高优先级。

实际上，任何平台希望在可编程部分寻求成功都必须使用ARM CPU。其结果是连续性的。工程师们不害怕变化。但是，他们经常因变化而浪费时间。在SoC的设计中，如果你不提供相同的CPU结构，同样的编译器，同样的IDE和调试器，同样的实时操作系统和相同的中间软件包，就想吸引工程师不用他们的传统的平台转向新的设计， 这是非常困难的。简而言之，软件规则就是没有人愿意离开原来的设计。除了真正的低端产品，他们能够在8位设备上如8051上完成特定的嵌入式功能，任何不是ARM CPU的可编程平台都很快归类于少数领域，成为不占主导地位的架构。

2 在可编程器件中添加模拟功能

不断有可编程器件失败，当然，是指模拟功能。虽然有很多平台可以整合重要的模拟功能，如高速通信接口，但真正的难点是要解决整合的传统片外部件的低级电路问题。毕竟，现在的FPGA的物理层（PHY）的实现是完全把模拟部分的问题和设计者隔离的，只留标准数字接口，就像其他的IP模块。

真正的模拟挑战是实现通用功能，如模拟数字和数字模拟转换器、放大器和电压比较器。这不仅仅是因为模拟电路是一个棘手的设计问题，更是因为一些困难被转交给了最终用户。对于数字功能，例如，它可以把实现方式融入设计，路由到适当的I/O，运行静态时序检查，以及计划中的所有工作。当然，时序扮演了设计中的重要角色，但时序问题并不是IP整合的本质的问题，而是器件运行时的速度问题，整体设计的复杂程度，器件的利用率，以上这些都会影响到路由资源。然而，对于任何模拟设计，甚至简单的电路都很难设计，配置选项、片上路由和外部板设计，这些都很难做到最优。

举例来说，开关电容模块是重要的模拟部件，因为他们可以配置成许多方式，如可编程增益放大器（PGA），跨阻放大器（TIA），模拟过滤器，甚至是混频器。然而，他们也给设计者带来了问题，因为他们的行为依赖于模块的配置与电容的开关频率。把这个功能放到一个芯片里固然很好，但是要从datasheet和一堆配置寄存器里明白如何使它工作就不容易了。

要解决这个问题当然可以通过软件实现。把高性能模拟功能放到一颗器件里是一个解决方案。但是如果没有一个开发工具来揭开配置过程的神秘面纱，那么当最