ACTEL专题讲座(4):Fusion-业界首个模数混合的FPGA

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[size=13.63636302947998px] 20世纪90年代中期，从ASIC芯片组中得到启发，并萌发出的一种将一个完整计算机系统在一颗硅片上实现的思想，实现单芯片实现整个系统的功能，即SOC(System on a Chip)，从此SOC的概念被越来越多的人认识，众多厂家纷而投入到高集成度、多功能的芯片研制中，Actel也秘密策划了一起令人惊叹的事件……
[size=13.63636302947998px]2005年Actel推出了全球首个模数混合的FPGA——Fusion，将模拟的外设与数字的FPGA内核进行了完美结合，在FPGA领域实现了前所未有的突破，并可在FPGA内部嵌入CortexM1、ARM7、8051等软核CPU，在一定程度上实现了SOC，Actel的Fusion可应用于电源管理、智能电池充电、时钟生成与管理、电机控制等领域，而先前这些只能用昂贵和耗费空间的分立元件或ASIC来实现，Fusion为其提供了低成本的解决方案，下面将介绍这款独具创意的模数混合的FPGA——Fusion。
1.1 Fusion的特点

[size=13.63636302947998px] Actel的Fusion系列是业界首个模数混合的FPGA，除了数字的FPGA内核以外，内部还集成了32通道的ADC、最多8Mbit的Flash、100MHz的时钟、可承受±12V的模拟IO、可产生1.5V的稳压器等等，单个芯片可以包含一个典型系统的大部分器件，一定程度上实现了单芯片的解决方案。

[size=13.63636302947998px] 图1 典型系统

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1.1.1 Flash架构FPGA的数字内核

[size=13.63636302947998px] Actel的Fusion源于ProASIC3发展而来，保留了ProASIC3所有的优点：单芯片、高安全性、高可靠性、低功耗、低成本等特点，这些特点以及ProASIC3的内部架构已经在《Actel基于Flash架构的FPGA专题技术讲座（1）》和《Actel基于Flash架构的FPGA专题技术讲座（2）》中介绍，在这不再重复。
1.1.2 堆栈式的架构

[size=13.63636302947998px] 正因为Fusion的独特性，Actel提出了堆栈式结构的设计思想，将基于Fusion 的设计划分为不同的层次，如图2所示，这个层次结构包含了从底层的抽象设计到高层的应用整个过程。最底层（第0层）是外设的IP层，包括模拟的IP以及软/硬数字IP；第1层不仅提供底层的IP与FPGA逻辑设计通信的总线接口，还将序列发生器集成在里面，以便对个别外设进行底层的配置和数据处理；第2层是应用程序的子块，它可以响应外设的信号和其他系统信号，来实现对外设的控制以及向上层响应；最高层（第3层）由多个第二层的应用子块构成以实现大型的应用设计。

[size=13.63636302947998px] 图2 Fusion堆栈式层次结构

[size=13.63636302947998px] Actel Fusion堆栈式的设计思想使我们对基于模数混合的FPGA的设计变得简单，使用户体验从最简单的设计到复杂系统构建的整个过程，有利于提高用户对FPGA设计的思想和能力。图3为基于Fusion的应用结构框架图，非常清楚的显示了基于Fusion FPGA实现的整个系统的框架。

[size=13.63636302947998px] 图3 Fusion应用结构框架

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1.1.3 用户可用的非易失性存储器

[size=13.63636302947998px] Fusion器件内部集成了用户可用的Flash Memory，由1到4个Flash 阵列块组成，每个Flash 阵列块为2Mbit，它们均通过专门的Flash Memory控制器和接口独立操作。Fusion的Flash Memory支持60ns的随机访问和10ns流水线访问，并支持可配置的数据宽度(8，16或32bit)。Flash 阵列块按扇区、页以及块划分，每个Flash 阵列块有64个扇区，每个扇区有33个页，每个页有8个块，每个块16字节。

[size=13.63636302947998px] 图4 Flash的结构图
1.1.4 模拟Quad

[size=13.63636302947998px] Fusion器件引入了模拟Quad的概念，这是Fusion器件所独有的，类似于一个模拟的区域，每个Quad由3个数字输入电路、1个电流监控电路、1个温度监控电路、一个门驱动电路、3个预分频电路以及1个电流监控放大电路组成，如图5所示。一个模拟Quad中的AV、AC、AT作为模拟输入管脚，可以承受-12V～0或者0～＋12的输入；AG可以通过门驱动器实现大功率MOSFET的驱动，并且驱动能力可调，管脚可以承受25mA、1V的电压。外部只需要少量的电阻、三级管等就能实现电压、温度、电流的监控。

[size=13.63636302947998px] 图5 模拟Quad

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1.1.5 ADC

[size=13.63636302947998px] Fusion模拟系统的核心是一个可编程的逐次逼近型（SAR）模数转换器ADC。ADC可以支持8位、10位和12位操作模式，并且通过一个32：1的多路选择器实现32个采样通道输入，所有通道分时采样，共享采样带宽，在8位操作模式下，ADC单个通道的采样率最高可达600ksps，如果是多个通道同时使用则平分采样速率。

[size=13.63636302947998px] 图6 ADC内部结构图
1.1.6 时钟模块

[size=13.63636302947998px] Fusion系列含有较多的时钟资源，如图7示。内部集成了RC振荡器，无需任何外部元件就可产生100MHz，精度为±1％的时钟源；此外，它还提供一个片上晶振电路，供一些需要更精确时钟信号的系统使用；同样FPGA的任何一个I/O都可以作为时钟源，由外部的有源晶振或者其它时钟电路提供。这些时钟源都可以连接到内部的PLL实现时钟的频率、相位的调整等功能。

[size=13.63636302947998px] 图7 时钟资源
1.1.7 电源管理模块

[size=13.63636302947998px] Fusion内部带有一个1.5V的电压调整器模块，只需要外部提供一个3.3V的电压就能产生一个1.5V、20mA的电压信号，通过外部的三极管进行简单的电流放大后可以给器件的内核供电，这样整个器件可以采用3.3V单电源供电。而且可以通过RTC、FPGA内核以及PUB管脚的相互配合实现睡眠与唤醒的功能，大大降低系统的功耗。

[size=13.63636302947998px] 图8 电源管理模块