设备开发——数电篇(更新)

只看该作者 · 2011-10-19 20:32

数字化时代，数字电路应用越来越广，手机，电脑，电视，汽车，无处不在。没有数电，就没有今日之世界，
大学里面的数电比较基础，留给我最深的印象就是与门，非门，然后可以由集成电路设计一个红绿灯了。到了工作中，就不是那么简单了。现代数字电路大致分为MCU，DSP，FPGA这三大支，各有特色。
MCU中最鼎鼎有名的就是8051单片机，最早接触时是看到有同事用它做一个编码器，当时感觉很高级，长见识了，就这样一个小小的芯片能够实现复杂功能，最令我高兴的是可以修改无数次。后来听说当时七楼的用的是16位的单片机，更感高级，觉得有必要学习，否则就落后于这个时代了。网上8051的资料多如牛毛，开始逢资料便下载，后来见了入门两个字便不再看，再后来就留那么一两本以便查阅。我是个懒惰的人，开始看汇编，后来发现除了汇编还可以用C写代码，于是就不再看汇编了。
有段时间，喜欢在淘宝上逛，权当坐在家里逛街。买了个虚拟示波器，双通道，100k，还带红外检测，到手一看，居然只有P89LPC935+OP+CP2102三个芯片，赠送的VB程序很简单，单片机程序更简单，真是佩服啊。麻雀虽小，五脏俱全，现在的单片机把AD,DA都集成进去了，简单的设备完全可以SOP了。
MCU中另外一大支便是ARM了，最新潮流，如果不使用OS，就是高速单片机，如果用好，据说WINDOWS 8就支持ARM，这几天在看TI的Cortex M3，虽然跑不了linux，但一般的设备属于下里巴人，用不到文件系统和网络，如果只是串口的话，跑个UCOS还是可用满足的，入门比FPGA容易，开发速度要快不少。
DSP是TI一家独大，可以在一个指令周期内完成乘加运算，特别适合做算法，做浮点数运算也是其强项，总之就是适合数字信号处理。其芯片驱动负载的能力据说也较强。我感觉本质上MCU和DSP属于一类，虽然有哈佛，诺依曼等架构，但本质都是通过一条条指令，串行实现功能，比较符合人的思维。
FPGA是另外一种类型，可编程逻辑芯片，可以自定义其内部逻辑关系，所有的运算都可以并行执行，可用VHDL或Verilog描述其结构，当然也可以嵌入一个微处理器，我熟悉的只有NIOS。在OPENCORE上，有不少免费的核可以使用，51，8086等都有。我见过有高手甚至在一块FPGA开发板上跑WINDOWS 3.1。我认为除去易用性，价格等因素，只从逻辑功能上说，FPGA可以包含MCU,DSP所有逻辑功能，但是门槛高了点。
头一次接触FPGA是有人在我们这个调试一个设备，临走送我一块自己做的ACTEL的开发板。可能是电路板JTAG布线有问题，直接用并口烧录有问题，专用烧录器我不想买，直到现在，还闲置着。
入门的第一块板子是周立功公司的EASY FPGA030，主要是看重只卖￥99，拿到手之后发现周立功的资料还是做得不错的，下载了一堆视频，入门宝典等等，终于会使用Libera这个软件了。编译，布线，仿真，烧录，一个个对话框，一个个进度条，20行的代码电脑恨不得要5分钟才处理完，只是当时才入门，并不觉软件效率低，而是觉得这个软件好高级啊。后来就拿这块板子做了个数字总线转换系统，芯片容量太小了，初始化变量的语句都不敢写，幸好默认就是0，片内资源几乎全部用光。
再后来我发现有同事有块红色飓风的FPGA开发板闲着，据说当时买了上千的钱，便借来学习了。ALTERA果然很强大，EP1C12的片内资源是A3P030的数十倍，Quartus的速度是Libera的好几倍。自从发现片上逻辑分析仪很好很强大，从此就很少使用ModelSim仿真了。Altera的资料也很多，不过对于简单应用，不涉及厂家自定义的部分,Verilog就足够了，于是我就全面从ACTEL转向Altera了。
在做一个设备时，需要用到sin这个函数，用Verilog实现C语言的sin函数对我而言是个难题，问了一圈人，有一个人说可以嵌入一个8051的核来实现，于是就花了不少时间研究SOPC了。挑资料多的做，Altera资料最多的便是NIOS这种核了，下了一堆资料，看了好久，终于可以实现"Hello World!"了。
不带浮点的NIOS要想处理sin这样的浮点函数还是比较费事的，虽然它内部怎么实现我不知道，但在100MHz下，每秒只能运算3K次，显然这样的速度远远满足不了我的要求，于是想到了DSPBuilder了。在下了一堆资料后，忽略了一个问题，现在我所使用的这种技术，已经变成了阳春白雪了。5.0的不支持中文，9.1的和Matlab始终匹配不好，10.0的我找不到和谐文件。安装一套MATLAB就要4G空间，安装QUARTUS要8G空间，系统都重装过好几回，最后装9.0的总算可以了。
换个方向实现就是CORDIC算法+AVALON总线自定义sin专用协处理器，看了半天，感觉这个技术应该可以管很久了，值得花时间学习。这方面的资料不多，NIOS还有《NIOS II那些事》这样的入门资料，也有《NiosⅡ嵌入式软核SOPC设计原理及应用》、《NiosⅡ软件架构解析》这样的图书，AV总线,SOPC等基本只有ALtera的datasheet可以参考，高处不胜寒。
再换个方向就是换个开发环境，读到施国勇编著的《数字信号处理FPGA电路设计》中比较详细地写FPGA实现CORDIC，第六章和实验六专门写了CORDIC原理与实现，ISE中有专门的这个IP可用，看样子Xilinx算法还是做得好一些，就省得那么麻烦了。Altera的功能Xilinx都有，逻辑分析仪，matlab，嵌入式软核，都差不多，但protel 99se支持Xinlin就要明显多些，软件以及配套Xilinx应该更胜一筹。不过JTAG调试器就贵不少了。等谁有Xilinx开发板，我也借来玩玩。
再换个方向就是在模拟前端就处理好这些数据，到了数字部分的处理就容易很多了，不过这个就不属于这篇范围了。
这几种技术也在相互融合，取长补短，TI最新的ARM已经和DSP双合一了，甚至可用简单配置端口了，Altera的飓风三已经可用嵌入ARM了，ACTEL没有自己的软核，早就和ARM合作了，Xilinx的SYS GEN这些也将DSP融合一起了。以后的技术肯定还会发展，肯定会越来越方便。估计不久的将来，数字、模拟一体的可编程芯片也会商品化的。
数字电路种类繁多，但摆脱不了算法+语法，就如打架在于准狠。算法是王道，MCU,DSP,FPGA,PLC等等就如十八般兵器，不管倚天剑和屠龙刀，只要用的好，都可以制胜，实现算法，满足需求。但刀剑使用得好了，艺高人胆大，算法可以以各种方式实现，买东西还得货比三家，何况实现方式。精通一种数字电路技术，才能实现算法，精通多种数字电路，才能比质比价，多快好省。精通数字电路、模拟电路、数字信号处理、操作系统，加上行业积累，呵呵，电工的追求都是这样的吧。