作者：Ron Wilson

要點(diǎn)

經(jīng)濟(jì)形勢(shì)刺激了對(duì)可編程模擬元件的興趣。

不存在將可編程模擬芯片用于一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

設(shè)計(jì)流取決于供應(yīng)商為理解芯片而提供的隱喻（metaphor）。

今后，這些設(shè)計(jì)流也許是今天FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）流的混合信號(hào)版。

可配置模擬IC已經(jīng)出現(xiàn)了多年，表面看來對(duì)市場(chǎng)的影響不及其數(shù)字同胞FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）。不過，當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)卻使可編程模擬標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的概念突然顯現(xiàn)出吸引力。一些需求能很好地適合這些器件的優(yōu)點(diǎn)：保持在某個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域的設(shè)計(jì)前沿，不花費(fèi)很多的設(shè)計(jì)成本，并且不存在會(huì)影響任何一個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)入量產(chǎn)的最終用戶需求。這樣的日子可能為時(shí)不遠(yuǎn)了。
不過，如果可編程模擬時(shí)代到來了，仍然有一個(gè)很大的問題：這些芯片應(yīng)該采用哪種設(shè)計(jì)方法？傳統(tǒng)的直觀式模擬設(shè)計(jì)流程（仍需主要依靠試驗(yàn)板試驗(yàn)驗(yàn)證）還有意義嗎？或者用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)用于FPGA器件的流程（即前端用系統(tǒng)級(jí)語言，驗(yàn)證用仿真）可能更適用？答案既復(fù)雜而又有益。

各種架構(gòu)

這種復(fù)雜性的原因之一是，在“可編程模擬”的共有描述下，存在著大量的架構(gòu)。一個(gè)極端情況是特定功能芯片，它有高度的用戶可配置能力，而不改變其基本功能。在另一個(gè)極端上，有些芯片是FPGA的模擬近親，即有著大量小型的非專用模擬功能塊。兩種極端在結(jié)構(gòu)與功能上都有差別，其意義在于它們有不同的需求。


考慮兩個(gè)例子。一個(gè)是Lattice半導(dǎo)體公司的可編程電源控制器系列。這些多功能芯片控制著一塊當(dāng)代PCB（印刷電路板）上多個(gè)電源的時(shí)序與觸發(fā)。多數(shù)情況下，它們是Lattice運(yùn)用自己的可編程邏輯技術(shù)做成的簡(jiǎn)單PLD（可編程邏輯器件）。這些芯片亦包括精密ADC、可編程閾值監(jiān)控器以及DAC，用于檢測(cè)輸出電壓，并為電源的反饋回路提供精密調(diào)整的電壓。

對(duì)另一端，考慮Anadigm公司的FPAA（現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列）。這些器件基本上是非專用的元件陣列，用于組裝成開關(guān)電容模擬信號(hào)處理電路。FPAA中編程的作用不僅是設(shè)定電路的參數(shù)，也能創(chuàng)建電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。甚至這些產(chǎn)品中的“可編程能力”也有兩種含義。因此設(shè)計(jì)者用于處理它們的方法也有差別。

不同的隱喻（metaphor）

芯片開發(fā)者傾向于向用戶隱藏起可編程芯片的結(jié)構(gòu)，而代之以一種隱喻來虛擬化結(jié)構(gòu)。他們希望，這種虛擬化對(duì)用戶更熟悉，對(duì)要解決的問題更有相關(guān)性。隱喻會(huì)隨硅片的結(jié)構(gòu)，以及供應(yīng)商對(duì)于客戶與客戶問題的觀點(diǎn)而變化。例如，在數(shù)字PLD的早期，供應(yīng)商將一只PLD的內(nèi)部描述為多組NAND門驅(qū)動(dòng)大型NOR門輸入端，以后成為了表述邏輯功能的標(biāo)準(zhǔn)方法。
當(dāng)FPGA出現(xiàn)時(shí)，其供應(yīng)商初期將其描述為大型的邏輯單元陣列，每個(gè)單元都包括一些門和一個(gè)觸發(fā)器。這些隱喻都非常接近于芯片的實(shí)際電路。現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已變得如此龐大，隱喻已更抽象。今天，看待FPGA的典型方法是將其當(dāng)作一個(gè)空白單子，一個(gè)人在上面書寫RTL（寄存器傳輸級(jí)）邏輯，有便于布放分配的內(nèi)存塊、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）塊，以及高速I/O單元。沒人再嘗試使隱喻反映出電路情況。

從供應(yīng)商為自己可編程模擬器件所選擇的隱喻中可以看到一種類似的差別。以Lattice為例，它對(duì)自己電源控制器IC的描述用詞接近于芯片上的實(shí)際元件：數(shù)字與模擬輸入、限幅比較器、一只ADC、一個(gè)可編程邏輯陣列，以及一組DAC。與之相比，Anadigm公司討論芯片時(shí)并不采用大多數(shù)用戶的術(shù)語，如電容、可配置放大器、階梯網(wǎng)絡(luò)或可編程模擬開關(guān)等。該公司描述的是模擬功能塊：運(yùn)放、濾波器，等等。Anadigm公司首席運(yùn)營官Simon Dickinson表示，當(dāng)器件將成為一個(gè)較大設(shè)計(jì)中一分子時(shí)，該公司有時(shí)會(huì)鼓勵(lì)用戶把芯片想象成一個(gè)功能固定或具有多功能的黑盒子，而不管其中的內(nèi)容。

一般來說，可編程模擬芯片的功能越專業(yè)，則隱喻就更貼切。不過，如果一種可編程結(jié)構(gòu)是高度自適應(yīng)的，則供應(yīng)商可以采用兩種方案之一：應(yīng)用與其下架構(gòu)無關(guān)的隱喻，如Verilog-A或Spice網(wǎng)表，或隱藏可編程結(jié)構(gòu)的隱喻，僅將其表述成一個(gè)參數(shù)化的固定功能芯片。隱喻的重要性在于，是它決定了用戶采用的設(shè)計(jì)方法，而不是其中的硅結(jié)構(gòu)。一些案例可以說明這一點(diǎn)。

一些實(shí)例方法

Lattice公司主管電源控制器IC的營銷經(jīng)理Shyam Chandra稱：“人們?nèi)匀徊捎梅至⑿酒刂茝?fù)位信號(hào)、看門狗時(shí)序，等等。我算了一下，（安森美的產(chǎn)品系列中）僅用于復(fù)位生成的就有400種芯片，市場(chǎng)上肯定有100種熱插拔控制器IC?！币虼薒attice選擇了一種編程隱喻方式，使設(shè)計(jì)者像在使用一些較小型的固定功能芯片。

在開發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)格時(shí)，Lattice產(chǎn)品的用戶會(huì)在數(shù)據(jù)表中搜索他們電路板上的處理器、內(nèi)存、FPGA和其它器件，為每只芯片確定所需上電次序。對(duì)這些次序作編譯，就生成了控制器邏輯的完整狀態(tài)圖。但這是一種手工勞動(dòng)，Chandra警告說：“大約75%的情況下，第一次工作是不正確的。人會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)表規(guī)格中也經(jīng)常會(huì)有灰色區(qū)域。”因此，Lattice公司提供了一種簡(jiǎn)單的編程語言和波形仿真工具，用戶可以對(duì)次序作編碼，在不毀壞任何東西的情況下觀察其動(dòng)作。當(dāng)次序正確時(shí)，工具會(huì)配置Lattice芯片中的狀態(tài)引擎，使之可以驅(qū)動(dòng)復(fù)位信號(hào)和為電路板提供順序供電的MOSFET門。同樣，Lattice公司還提供了一個(gè)輔助工具，用于設(shè)置芯片的微調(diào)與容限檢測(cè)電路。通過使用一個(gè)已知DC/DC轉(zhuǎn)換器的庫，軟件可獲取用戶的容限和電壓要求，設(shè)定片上比較器與DAC以及所需電阻值，同時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的輸出和驅(qū)動(dòng)微調(diào)輸入。

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品隱喻的概念超出了電源控制領(lǐng)域。在一個(gè)不同的市場(chǎng)中，Actel公司提供在Fusion系列FPGA上的可配置AFE（模擬前端）塊。該公司也同樣支持其可編程模擬段的配置，但也同樣懷疑用戶對(duì)板級(jí)仿真的興趣。該公司一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Mark Nagel說：“我得說，我們只有不到一半的客戶會(huì)做任何一種全電路板仿真。在芯片級(jí)，我們確實(shí)提供了一種工具，它可以為模擬激勵(lì)生成波形，然后將其送入一個(gè)ADC模塊，提供用于FPGA邏輯ModelSim仿真的數(shù)字輸出。不過我們的AFE結(jié)構(gòu)相當(dāng)固定。對(duì)大多數(shù)人來說，我們的用戶傾向于先考慮分辨率、采樣率等的需求；配置AFE，并作嘗試。你可以用板上元件查詢AFE中的模擬結(jié)點(diǎn)，可以用芯片F(xiàn)PGA部分中的一個(gè)Synplicity嵌入邏輯分析儀查看數(shù)字輸出。”因此，用戶一般不用仿真工具研究AFE；他們只仿真數(shù)字邏輯部分。


另外一個(gè)例子來自Cypress半導(dǎo)體公司，其PSoC（可編程系統(tǒng)芯片）提供相對(duì)豐富的可配置模擬元件陣列，它與一個(gè)數(shù)字構(gòu)建塊和一個(gè)微控制器核心緊密耦合。Cypress硅結(jié)構(gòu)的通用特性可以確定一種高級(jí)語言隱喻，以及一種綜合仿真設(shè)計(jì)流。不過該公司選擇了一個(gè)不同的方向。Cypress公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Jason Baumbach解釋說：“我們的隱喻法是一個(gè)部件目錄，而不是一個(gè)可編程模擬陣列。給用戶展示數(shù)千個(gè)寄存器對(duì)他們沒有幫助。我們是提供一個(gè)‘用戶模塊’的目錄，”即芯片上可配置的模擬陣列部分。不過，它們對(duì)于用戶來說就是現(xiàn)成的模擬部件。用戶根據(jù)用戶模塊繪出其設(shè)計(jì)的模擬部分的邏輯，然后采用Cypress PSoC開發(fā)環(huán)境，就可以直接從邏輯圖進(jìn)入到試驗(yàn)板階段。Baumbach稱：“我們并未看到很多人在使用Spice或Matlab。多數(shù)情況下，他們嘗試做的模擬電路都相當(dāng)簡(jiǎn)單?！?br />
其它觀點(diǎn)

多數(shù)情況下，這些公司都不會(huì)嘗試提供板級(jí)的仿真工具，這些工具可顯示出他們的芯片與電路板上其它電路的工作情況，甚至詳細(xì)仿真出芯片的模擬部分與數(shù)字部分之間的相互作用。用戶的經(jīng)驗(yàn)以及從數(shù)據(jù)表獲得的信息都有助于這個(gè)目標(biāo)。Lattice公司的Chandra認(rèn)為：“在電源管理中，仿真意味著讀取并理解邏輯圖。”而Cypress公司則看到了將該公司帶往另一方向的進(jìn)展。PSoC芯片的模擬部分仍然在繼續(xù)變得更為重要?？蛻粽找姘l(fā)現(xiàn)，整體微控制器都可以即時(shí)地重新配置模擬陣列。這種能力很有用，但它逐漸削弱了部件目錄式的隱喻。公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Mark Saunders稱：“器件不斷變得更強(qiáng)大。因此我們需要繼續(xù)推動(dòng)自己的抽象能力?！?br />
與之對(duì)照的是，austriamicrosystems AG正在嘗試一種更廣泛的方案，對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的芯片作仿真。該公司線性與無線產(chǎn)品營銷總監(jiān)Bruce Ulrich解釋說：“我們認(rèn)為有兩種工程師。有一些是正統(tǒng)性偏好者，他們對(duì)仿真有一種文化性論點(diǎn)。他們認(rèn)為仿真多少有些不正經(jīng)。但也有一些采用市售現(xiàn)成DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者并不認(rèn)為自己是專家，他們覺得有一個(gè)能幫助自己作開關(guān)頻率與負(fù)載實(shí)驗(yàn)的工具很不錯(cuò)，因?yàn)槟芸吹桨l(fā)生了什么?！?br />
基于這種看法，該公司在自己的主頁上鏈接了一個(gè)Transim技術(shù)公司的WebSim線性仿真引擎版本。該頁面有austriamicrosystems公司各種型號(hào)的電源IC、網(wǎng)表捕捉工具、仿真引擎，以及一個(gè)生成物料清單的工具。用戶可以在網(wǎng)站上對(duì)一個(gè)電源子系統(tǒng)作試驗(yàn)，研究其參數(shù)和性能，并獲得一個(gè)器件清單。Ulrich強(qiáng)調(diào)說：“它沒有Spice的精度；它是一種線性近似。但已足夠給出一個(gè)有關(guān)電路行為的概念，并警告你何時(shí)會(huì)有開關(guān)問題、噪聲或不穩(wěn)定性問題?！痹摴咀罱黾恿司W(wǎng)站的功能，但正在考慮一個(gè)擴(kuò)展的模型庫，這樣用戶就可以使用該公司產(chǎn)品系列中的其它器件。

Triad半導(dǎo)體公司的情況有所不同。與Cypress公司一樣，該公司也制造結(jié)合了可編程模擬陣列與微控制器的芯片。不過此時(shí)，可編程能力采用的是廠家編程形式，而不是現(xiàn)場(chǎng)可編程的閃存單元。Triad公司營銷與技術(shù)銷售副總裁Reid Wender稱，大多數(shù)情況下，該公司的用戶并不是從仿真開始，而是用分立器件作試驗(yàn)板設(shè)計(jì)，市售模擬元件作模擬信號(hào)路徑，而FPGA作數(shù)字邏輯，還有ARM Cortex M0核心。Wender說：“這些設(shè)計(jì)者多數(shù)喜歡用市售元件，他們要求我們的ASIC也滿足這些規(guī)格。”


客戶與Triad公司分享了這個(gè)試驗(yàn)板?？蛻羰褂迷摪宓男阅埽xASIC中模擬信號(hào)路徑的傳輸函數(shù)。然后，Triad公司的團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)芯片級(jí)的仿真工具，配置模擬陣列，使之匹配于客戶試驗(yàn)板的傳輸函數(shù)。Triad公司將這個(gè)仿真結(jié)果與客戶分享，設(shè)定一個(gè)過孔遮罩，然后配置成排的晶圓，總循環(huán)時(shí)間大約為四周。然后，客戶可以將Triad硅片用于自己的試驗(yàn)板，進(jìn)行驗(yàn)證。Wender稱，這個(gè)流程中最困難的部分是了解模擬信號(hào)處理路徑與在Cortex上運(yùn)行的軟件的整合。他說：“我們一直與Keil合作來仿真混合信號(hào)外設(shè)。但最終我們需要一個(gè)桌面上的完整模擬/混合信號(hào)仿真器，這是某種能夠以低價(jià)將Verilog、Spice和軟件仿真置于桌面的東西。我們還在繼續(xù)尋找。”

未來

對(duì)未來的觀點(diǎn)來自于佐治亞州技術(shù)學(xué)院的一個(gè)持續(xù)的研究項(xiàng)目，Paul Hasler是電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，他對(duì)FPAA有十年的研究。現(xiàn)在的項(xiàng)目包括用大約1000個(gè)模擬元件和構(gòu)成100個(gè)計(jì)算模擬塊的成千個(gè)開關(guān)級(jí)器件，構(gòu)建大型的陣列。Hasler稱：“這些芯片的容量可能10倍于現(xiàn)有的商用可編程模擬陣列。對(duì)于模擬信號(hào)處理性能，我們能夠在一只芯片中，放入相當(dāng)于1 teraMAC（萬億次乘法/加法指令） 的信號(hào)處理能力，功耗為數(shù)百毫瓦?！盚asler與他的團(tuán)隊(duì)已用模擬信號(hào)處理的隱喻建立了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流，沒有芯片設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。Hasler說：“我們最大的芯片之一有大約10萬個(gè)可編程參數(shù)。你不可能手工處理這種等級(jí)的復(fù)雜性，因此我們對(duì)編程采用一種塊級(jí)的信號(hào)處理隱喻方法?！?br />
即便如此，F(xiàn)PAA的巨大復(fù)雜性還是需要一種類似ASIC的設(shè)計(jì)流。試圖在試驗(yàn)板上調(diào)試一個(gè)1000只元件的模擬設(shè)計(jì)是毫無希望的。因此FPAA流采用了兩級(jí)仿真。流程開始于Simulink和計(jì)算元件庫，Hasler的團(tuán)隊(duì)為它建立了Spice網(wǎng)表。用戶可以在Simulink上作系統(tǒng)仿真，然后轉(zhuǎn)而建立一個(gè)Spice網(wǎng)表，后者送至一個(gè)芯片編譯器，產(chǎn)生等效于FPGA編程的文件。Hasler說：“我們可以編譯大多數(shù)合法的Spice網(wǎng)表，但并非所有網(wǎng)表都能得到有效的設(shè)計(jì)。在Spice級(jí)，用戶必須學(xué)習(xí)如何使用工具來做出最佳使用的硅片。在Simulink級(jí)，這種工作主要是在庫中完成?！爆F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)可以提取Spice網(wǎng)表的工具，可提供開關(guān)級(jí)編程文件中的準(zhǔn)確寄生參數(shù)，并且可以做布局與源文件之間的比較工作。Hasler補(bǔ)充說：“將反向標(biāo)注全部返歸Simulink級(jí)會(huì)有一點(diǎn)復(fù)雜?！?br />
這種流程可能就是未來，哪怕是對(duì)簡(jiǎn)單得多的元件。Cadence公司混合信號(hào)仿真營銷總監(jiān)John Pierce如是說：“傳統(tǒng)方案也不會(huì)做得更多了，即使對(duì)固定功能器件。當(dāng)把可編程元件集成到系統(tǒng)中，你必須看發(fā)生了什么事，而不只是如何對(duì)其編程?！?br />
Pierce繼續(xù)說，還有些問題有待解決。直覺上，一個(gè)板級(jí)仿真的正確起點(diǎn)應(yīng)是在Matlab或類似工具中。然而，從一個(gè)傳輸函數(shù)視圖到一個(gè)交換陣列不是件簡(jiǎn)單的事。甚至在電路仿真級(jí)就會(huì)出現(xiàn)問題。他說：“Verilog-A或SystemVerilog都不希望你在運(yùn)行中改變配置寄存器的設(shè)定?！钡?，如果你試圖將配置寄存器和模擬開關(guān)也模型化，成為器件網(wǎng)表的一部分，那么仿真可能迅速膨脹，尤其是采用開關(guān)電容技術(shù)時(shí)。Pierce說：“在一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中仿真可編程模擬器件的技術(shù)確實(shí)存在。而挑戰(zhàn)在于將它們帶入到我們的Verilog-AMS（模擬/混合信號(hào)）領(lǐng)域中?！?br />
審核編輯 黃宇