Modern gömülü sistemler giderek bir mikrokontrol (MCU) mikro kontrol ünitesinin birleşik yeteneklerini talep eder (MCU) deterministic kontrol ve bir alan programlanabilir kapı dizilerini (FPGA) yüksek hızlı, paralel veri işleme için uygulama. Her iki cihazda da tek bir baskılı devre kurulu (PCB) performans, boyut ve maliyet açısından önemli avantajlar sunar, ancak karmaşık güç sequencing seçimlerini yönetmekten.

FPGA-MCU Interface'ı mimarlamak

Tasarım sürecinde ilk adım FPGA ve MCU'nun nasıl iletişim kuracağını belirlemektir. Bu karar ağır etkiler I/O gereksinimleri, PCB düzeni karmaşıklığı ve genel sistem aktarım.

İş yükü Katılımcılık ve Interconnect Selection

Mühendisler, MCU'ya ait hangi görevlerin ve FPGA'ya ait olduğuna karar vermelidir. MCU genellikle hedef uygulamanın genişliği ve geç kalmış gereklilikleri karşılamalıdır. FPGA yüksek hızlı veri akışları, gerçek zamanlı sinyal işleme ve özel periferik emulation.

Ortak bağlantı standartları şunları içerir:

  • [FONT:0)Serial Peripheral Interface (SPI): Kontrol ve yapılandırma için uygun. Quad-SPI (QSPI) veri transferi için daha yüksek bir bağlantı sunar.
  • [FONT=0)Flexible Statik Memory Controller (FSMC) / Esnek Memory Controller (FMC):), MCU'nun FPGA hafızaya erişebilmesine izin veriyor veya SRAM'ı yüksek kesinti ve düşük gecikmeli bir şekilde paylaşıyor.
  • [FONT:0)PCI Express (PCIe): Son derece yüksek bant genişliği uygulamaları için gerekli olan yazılım tanımlı radyo veya yüksek hızlı veri alımı gibi. Bu, FPGA ve MCU/MPU'da sertleştirilmiş PCIe blokları gerektirir.
  • [FONT:0]AXI Bus:[Dönerli çift sistemler için, özellikle bir Sistem-on-Chip (SoC) FPGA (e.g., Xilinx Zynq) kullanırken, paketin içine koşmak en yüksek performans seçeneğidir.

Doğru arayüzü seçmek pin count, güç tüketimi ve veri oranı arasında bir dengedir. paralel bir otobüs yüksek hız sağlar ancak birçok I / O pins ve önemli dinamik güç kullanır, SPI gibi seri bir otobüs daha basit ama doğal olarak yavaş yavaştır.

FPGA ve MCU Device Selection

Seçilmiş olan belirli cihazlar, yüksek uçlu parçalar için yüksek performanslı paketler için yüksek performanslı paketler için ağır bir şekilde ayarlayacaktır. Benzer şekilde, STMikroelektronik gibi satıcılardan MCU'lar, NXP veya Microchip, entegre periferilerden ve yüksek hızlı arabirimlerden farklı düzeylerde sunar.

Power Delivery Network (PDN) Karma-Signal Systems için Tasarım

Güç teslimat ağı muhtemelen operasyon sırasında FPGA ve MCU PCB tasarımının en kritik yönüdür. FPGA'lar, çok düşük gerilimli raylar dahil olmak üzere, çok düşük gerilimli raylar (yüzde 3'ten az) ve son derece yüksek di / geçiciler.

Gerç Rail Topolojiler ve Sequencing

Tipik bir sistem birkaç özel gerilim rayları gerektirebilir: FPGA Core (0.85V-1.0V), FPGA I/O (1.8V, 2.5V, 3.3V), FPGA Transceiver (1.0V, 1.8V), MCU Core (1.2V), ve MCU I/O (V) Tümleşik bir Güç Yönetimi Entegre Devre (PMIC) kullanarak karmaşık sequencing gereksinimlerini basitleştirir. Birçok FPGAs, ana gerilimi, yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte olan ve yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte bir yük devre dışı bırakmasını gerektirir.

Decoupling Network Architecture

FPGA'nın iç mantığından gelen gürültüyü (SSN) düzgün bir şekilde ayrıştırmasanız büyük gerilimlere neden olabilir. Çok katmanlı bir dekole strateji, frekans spektrumuna düşük bir engel sağlamak için gereklidir.

  • [FONT:0)Bulk Capacitance:) Mitum veya polimer kapasitörler (47uF to 330uF) uzun süreli geçicileri desteklemek için düşük frekanslı enerji depolama sağlar.
  • [FONT=0)Mid-Frequency Decoupling:[[DÜT:1) MLCCs (uF to 10uF) 0402 veya 0603 paketler orta menzil frekansları ele alır. X7R veya X5R dielektrikler standarttır.
  • [FONT=0) Yüksek Lisans Yeterliliği (C) ve MCU gücü pins'e kadar çok küçük değer MLCC'ler (0.1uF to 0.01uF) yüksek Self-Resonant Frekans (SRF) ile doğrudan BGA'nın arka tarafında yer almaktadır.

Bir PDN'in, Cadence Sigrity veya Ansys SI dalgası gibi araçları kullanarak simülasyonu yapmak, engelleyici hedefin doğrulanması önerilir (tipik olarakİLFLT:0)Analog Cihazlarının güç yönetimi portföyünü ).

Power Supply programlanabilir

Frekans düzenleyicilerinin seçimi verimlilik, gürültü ve boyut arasında bir dengeleyici harekettir. Anahtar-mode güç malzemeleri (SMPS) hem FPGA çekirdeği ve MCU'nun verimlilik ve en aza indirmek için gerekli olan ısı dağılımı, yüksek çözünürlükte verimlilik veya yüksek çözünürlükte yüksek olması gerekir.

Yüksek Hız Layout ve Signal Integrity Strategies

sinyal bütünlüğünü korumak güvenilir bir işlem için gereklidir, özellikle de arayüz hızları yüksek çözünürlüklü video veya gigabit ağlarını işlemek için yükselir. PCB yığını-up ve yönlendirme kuralları tasarım döngüsünde erken kurulmalıdır.

PCB Stack-Up Design

Karmaşık bir FPGA kurulu için, en az 6 ila 8 katman önerilir. İyi tasarlanmış 8 katmanlı bir yığın sağlam izolasyon ve engelleyici kontrol sağlar.

  • 1. Katman 1: Top Signal and Ground (Mikrostrip)
  • 2. Katman: Ground Plane
  • Katman 3: Signal Katman (Stripline)
  • Katman 4: Power Plane(s)
  • Katman 5: Ground Plane
  • Katman 6: Signal Katman (Stripline)
  • 7. Katman: Ground Plane
  • Katman 8: Signal and Ground (Mikrostrip)

Bağlantılar için ayrılmış zemin uçaklar kısa, düşük ücretli geri dönüş yolunu garanti eder. Kontrollü yönlendirme izlerinin (50 Ohm single-ended, 90 Ohm di USB, 100 Ohm for Ethernet and LVDS) için belirtilmesi gerekir. Kontrollü yönlendirme tasarımın standartlaştırılması:0)I-2141A[FLT 1: 1 ).

E-posta Arabulusu

[FONT=0]DDR Memory Interfaces:[DDRT:1] Uzunluk eşleştirme, veri için kritik, adres ve kontrol hatları.Bir grup içindeki tüm sinyallerin sıkı bir zamanlama içinde kalması gerekir (örneğin, +/ 10 resimosaniyeler).

[FONT:0) Yüksek Hızlı Seri Bağlantılar (SERDES): ) Bu arayüzler AC konseratörleri gerektirir. Bu kapasitörlerin yerleştirilmesi, verici pin'e yakın olmalıdır.Diferansiyel çiftler sürekli spacing ve genel uzunlukta, mümkün olduğunda kaçınılmalıdır.Eğer vias gereklidir, sinyale bir sonraki sinyal ile dikte etmek için zemin dikme yolu sağlar ve en aza indirmek için engellenmeli bir geri dönüş yolu sunar.

[FONT:0]Clock Signals:[Dönetici:[Dönetici:0]Clock Signals:[Dönetici:0) Kaynakta yer alan bir seri sonlandırma, yansımaları önlemek ve jitter'in satıcı önerilerine fiziksel olarak yakın olması gerekir:2.D Xilinx UG482 PCB Tasarım Kılavuzu)

PCB Malzeme Seçme

Arayüzlerin işletim frekansı PCB malzeme seçimine uygundur. Standart FR-4 yaklaşık 1 GHz'ye kadar hızlara uygundur.Süresel olarak 5 Gbps'de ve yukarıda veya RF arabirimlerde, Rogers 4003C veya Isola FR408 gibi düşük ölçekli materyaller gereklidir.Bu malzemeler daha düşük bir Dissipasyon Faktörüne sahiptir (Df), bu da sinyalin Dielektrik Constant'ta daha sıkı bir tolerans sunar.

EMI ve EMC Countermeasures

FCC veya CE emisyon testlerini geçmek için, yönetim kurulu tasarımı, başlangıçtan gelen EMC sayacı dahil etmelidir. Yüksek hızlı sinyaller, beton tabakalarında (stripline) güç ve zemin uçaklarının doğal koruyucularından faydalanmalıdır. /O konektörleri filtrelemek için, örneğin, çiftlerin ve ferritin enerji hatları için üst düzeye kadar uzanan katı bir zemine bağlı olarak yüksek frekanslı boşluklar da yüksek emisyon seviyelerini azaltılabilir.

Yüksek Boyutlu Modüller için ısı yönetimi

Modern FPGA'ların güç yoğunluğu, termal yönetimin bir sonraki gibi olamayacağı anlamına gelir. Küçük bir gömülü yönetimde 10W FPGA, yeterli soğutma olmadan 100°C'yi aşabilir, performans bozulması veya kalıcı başarısızlıklara yol açabilir.

Termal Path Design Design Design

BGA paketi için birincil termal yol, en düşük 1 oz bakır kaplama ile standart bir uygulama ile donatılmıştır. Doğrudan FPGA pedleri ısıyı iç zemin uçaklara taşır, bu da büyük ısı yayıcıları olarak kullanılabilir.

Hava akışı ve Sistem Entegrasyonu

Son sistem aktif soğutma için bir fan içeriyorsa, hava akışı yolu dikkatli bir şekilde düşünülmelidir. MCU ve diğer ısı hassas bileşenler, tüm nüfuslu tahta ve muhafaza noktalarının termal davranışını doğru şekilde modellemek için önerilir.

Sistem Güvenliği ve Güvenilirlik Değerlendirmeleri

Birçok endüstriyel ve otomotiv uygulamalarında, FPGA yapılandırması birazstream ve MCU Hardware, yetkisiz erişim, kopyalama veya tamperingten korunmalıdır.

Güvenli Çığ ve Bitstream Şifreleme

Modern FPGAs, AES-256 kullanarak biraz daha şifrelemeyi destekliyor. Şifreleme anahtarı batarya geri iadeli SRAM'da depolanır veya FPGA'daki yedekleme işlemlerini engellemek için bir kez programlanır. MCU, kendi bilgisayarlarını ilk önce özgün hale getirebilir ve yapılandırır.

Watchdog ve Gerge Supervision

Bir donanım saatilayıcı, MCU'ya ya da özel bir dış bileşen olarak, sistem güvenilirliği için gereklidir. FPGA, herhangi bir demiryolunun toleransı azaltıp kontrol etmediğini gösteren bir “kalıcı” sinyalini kullanabilir.If the FPGA or MCU doesn't to service the watchdog, system should perform a control closed and restart.

Üretim ve Geçerlilik için tasarım

Üretim için tasarım (DFM) ve test edilebilirlik (DFT) karmaşık kurulun güvenilir bir şekilde toplanıp üretimde doğrulanabilir olmasını sağlar.

Yüksek DFM için BGA

FPGA'lar genellikle iyi bir şekilde ortaya çıkıyor (0.8mm veya 0,5mm topu perdesi) BGA'nın pedleri arasında izler ve çok iyi çizgi genişlik ve spacing (3 veya daha küçük). Micro-vias genellikle BGA. Solder maske tasarımının iç sıralarını kırmak ve ölçümleme işlemi için gerekli.

Dense Boards için Strategies test

Üretim testlerinde BGA sinyallerinin fiziksel olarak incelenmesi pratik değildir. Bu nedenle, JTAG sınır tarama (IEEE 1149.1), Ethernet PHYs ve bellek bileşenleri gibi diğer JTAG bağlantılarının test noktalarına ek olarak, MCU ile ilk prototipleme ve tanı alanları arasında bağlantıların otomatik testine olanak sağlar.

Tasarım Framework

Tek bir PCB üzerinde bir FPGA ve bir MCU'yu entegre eden bir sistem uygulamak karmaşık ama ödüllendirici mühendislik görevidir. Başarı, mimari ticaret elemelerini, güç bütünlüğünü, sinyal kalitesini, termal sınırları ve üretim gereksinimlerini projenin başından itibaren uygular.Sistem içi ağ kurma stratejisini dikkatlice planlayarak, hızlı bir şekilde tasarım kurallarını temel alarak, yüksek hızlı bir şekilde tasarlayın ve sağlam bir şekilde ürün ve güvenlik özelliklerini içeren, mühendisler güçlü, güvenilir ve üretim-okuyabilir.