設(shè)計(jì)人員極少實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案,，原因之一在于他們只能在有限的預(yù)定義功能組合中作出選擇。其它原因還包括應(yīng)對設(shè)計(jì)變化的靈活性：功能與初始規(guī)格的匹配越精確,，往后在項(xiàng)目進(jìn)展過程中能夠適應(yīng)不斷變化的要求的空間就越小,。然而,，一旦解決方案要采用多芯片來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)安全性的問題就凸顯出來了,。由于芯片間布線板級暴露,，而且MCU代碼和/或FPGA配置數(shù)據(jù)沒有加密，整個設(shè)計(jì)便很容易被盜版,。

 

 

    而隨著Actel SmartFusion器件的推出,，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用單芯片解決方案來提供期盼已久的可編程邏輯、可編程模擬電路與一個功能強(qiáng)大的業(yè)界領(lǐng)先32位架構(gòu)微控制器內(nèi)核的結(jié)合,。最重要的是,，有一個同樣全面的工具鏈支持該器件的廣泛靈活性(模擬和數(shù)字功能均可定制)與ARM Cortex-M3處理器的軟件可編程性相結(jié)合。

 

圖2: SmartFusion中的可編程模擬模塊(包括：精度為1%的ADC和DAC,、多達(dá)3個采樣頻率為600 Ksps的12位ADC,、最多三個12位第一階sigma delta DAC、 最多10個50 ns高速比較器以及集成多種溫度,、電壓和電流監(jiān)控功能,。)

 

    愛特(Actel)公司在非易失性閃存工藝方面的戰(zhàn)略性投資，帶來了是三項(xiàng)截然不同的技術(shù)的整合,。其優(yōu)勢相當(dāng)明顯：快閃編程器件把它的可編程邏輯配置數(shù)據(jù)和微控制器程序代碼永久性存儲在片上,，因此它能上電即用，而不必等待從鄰近的EEPROM 裝載配置數(shù)據(jù),。而這也大大有助于解決知識產(chǎn)權(quán)(IP)安全性問題,，因?yàn)榕渲脭?shù)據(jù)不再因器件間的傳送而暴露，從而避免被中途截取或被盜,。更進(jìn)一步的保護(hù)是出廠保護(hù),，即閃存一旦被編程就會被永久性鎖定以防止被讀取，這就是Actel器件上的FlashLock功能,。此外,，由于基于快閃的IC可對小批量器件進(jìn)行編程，或是在制造過程的最后期在系統(tǒng)內(nèi)對器件編程,，故而適合眾多中小型生產(chǎn)規(guī)模的典型嵌入式設(shè)計(jì),。

 

    這種硅工藝技術(shù)還有其它的優(yōu)點(diǎn)。相比純邏輯CMOS工藝,，快閃需要高電壓來編程和擦除,，故內(nèi)置有高模擬電壓電平的監(jiān)控能力。愛特采用的工藝可實(shí)現(xiàn)片上模塊間的隔離(通過一種三阱結(jié)構(gòu)),，允許模擬和數(shù)字模塊并排放置，卻又彼此互不干擾,。盡管這是一個混合信號環(huán)境,，模擬功能仍能夠保持出色的偏移和噪聲等參數(shù)規(guī)格,。

 

圖3: 微控制器子系統(tǒng)

 

    在模擬能力方面，SmartFusion器件帶有多達(dá)3個12位逐次逼近(SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),，支持全分辨率500 Ksps工作,。其中每個ADC都有一個對應(yīng)的第一階1位sigma-delta 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，而且具有500 Ksps的更新速度和高效的12位分辨率,。它還有一個新的可編程元件,，就是信號調(diào)節(jié)模塊(SCB)。SCB由精確的高壓監(jiān)控器,、電流監(jiān)控器,、溫度監(jiān)控器以及高速(50 ns)比較器組成。高壓監(jiān)控器,，亦即有源雙極型預(yù)定標(biāo)調(diào)節(jié)器(ABPS),，能夠提供從-11.5V到+14V的電壓監(jiān)控能力。專門設(shè)計(jì)的電流監(jiān)控器通過放大外接低阻值感測電阻上的電壓降來實(shí)現(xiàn)檢測電流,；而溫度監(jiān)控器則通過外接二極管來實(shí)現(xiàn)檢測溫度,。

 

    所有這些模擬功能性在功能性配置和參數(shù)值方面都是完全可編程的，并擁有一個基于圖形用戶界面(GUI)的軟件環(huán)境,，以及眾多用于板上FPGA配置的設(shè)計(jì)工具,。

 

   SmartFusion器件包含有多達(dá)500k可編程邏輯門電路，與基于快閃的 ProASIC3 FPGA器件系列一樣,。這個邏輯電路支持350 MHz的系統(tǒng)性能,，內(nèi)置容量高達(dá)108 Kb的 SRAM，并擁有大量工作頻率高至350 MHz的數(shù)字I/O,，支持LVDS,、LVPECL、PCI/PCI-X等接口標(biāo)準(zhǔn),，可驅(qū)動高達(dá)24mA的電流,。設(shè)計(jì)選擇包括愛特的HDL(硬件描述語言)工具鏈、Libero集成設(shè)計(jì)環(huán)境,，可以硬件創(chuàng)建邏輯功能,，或者是在GUI以拖放式(drag-and-drop)操作創(chuàng)建設(shè)計(jì)。這種方法可快速輸入預(yù)定義的IP模塊,，這些模塊可能是源于以前設(shè)計(jì)的復(fù)用元件,，或者是愛特提供的函數(shù)庫內(nèi)的函數(shù)，也可能是第三方供應(yīng)商提供的IP,。

 

 

    這些芯片上除了一個基于ARM Cortex-M3的微控制器子系統(tǒng)之外,，還有眾多完全可配置邏輯和模擬功能。

 

    相比分立IC,，邏輯和線性模塊能夠提供不折不扣的高性能,，同樣地,，ARM Cortex-M3處理器也是一種全功能全規(guī)格的實(shí)現(xiàn)方案。它是一種已獲全面集成的功能性模塊——是一個“硬”核,，而不是在FPGA邏輯部件上編程的“軟”版本,。系統(tǒng)運(yùn)行時鐘頻率高至100 MHz，性能可達(dá) 125 DMIPS,，并帶512 KB 的閃存和64 KB 的 SRAM,。它的功能強(qiáng)大，足以運(yùn)行復(fù)雜的算法,，比如精度電機(jī)控制,，或者甚至好幾個電機(jī)的多軸控制。另外,，在系統(tǒng)管理應(yīng)用中,，它能夠管理電壓監(jiān)控、定序(sequencing),、風(fēng)扇控制及相關(guān)“系統(tǒng)內(nèi)務(wù)管理”等多項(xiàng)任務(wù),，同時仍有充足的容量來運(yùn)行更高的用戶應(yīng)用級任務(wù)。作為一個全功能的ARM Cortex-M3設(shè)計(jì),，它還帶有一系列外設(shè),，包括10/100 以太網(wǎng) MAC 和其它接口，比如SPI,、I2C和UART等,。混合信號I/O 線運(yùn)行頻率高達(dá)180 MHz,，可驅(qū)動6 mA的電流,。其它微控制器工程人員常用的功能還包括實(shí)時時鐘、看門狗定時器,、8路DMA控制器和外部存儲控制器(用于額外的代碼或數(shù)據(jù)的存儲),。為了最大效率地使用硅面積，這套外設(shè)也是“硬連線的”,，但設(shè)計(jì)人員能夠通過使用鄰近的可編程邏輯來對之進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整,。ARM Cortex-M3 處理器經(jīng)由相同的5層AHB 總線矩陣結(jié)構(gòu)與FPGA 結(jié)構(gòu)緊密連接，片上外設(shè)連接性能帶寬高達(dá)16 Gbps,。

 

    如上所述,，SmartFusion架構(gòu)的處理能力顯而易見。此外,，SmartFusion架構(gòu)的靈活性優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下事實(shí)中：許多前端處理任務(wù)根本不需要調(diào)用ARM Cortex-M3處理器,。與其它片上元件一樣，模擬計(jì)算引擎(ACE)也是一個全新的概念。ACE是一個半自治模塊,，可在無需ARM Cortex-M3處理器干預(yù)下執(zhí)行擴(kuò)展模擬預(yù)處理和后處理任務(wù),，比如信號采集的采樣和排序,。

 

    這個新的器件系列可為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供真正的單芯片工具,，其在硬件方面完全可配置，軟件方面完全可編程,，并充分利用了ARM架構(gòu)能夠支配的所有代碼設(shè)計(jì)資源,。這些芯片還附帶有一整套工具，可以為軟件代碼編寫人員,、模擬接口設(shè)計(jì)人員和RTL編程人員等提供一個熟悉的環(huán)境,，而且能夠在這些技術(shù)人員向完整的FPGA、ARM和模擬領(lǐng)域拓展時予以他們支持,。