硬件中用到电源的ARM、DSP、FPGA对比

在嵌入式开发领域，arm是一款非常受欢迎的微处理器，其市场覆盖率极高，DSP和FPGA则是作为嵌入式开发的协处理器，协助微处理器更好的实现产品功能。那三者的技术特点以及区别是什么呢?下文就此问题略做了总结。
arm(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。目前arm在手持设备市场占有90以上的份额，可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。
DSP(digital singnal processor)是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输，因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：
在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据;
(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;
(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;
(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;
(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;
(7)可以并行执行多个操作;
(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

王栋春 · 2024-1-9 22:17:51

FPGA是英文Field Programmable Gate Array(现场可编程门阵列)的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
深圳市迈瑞思智能技术有限公司是一家工业级嵌入综合方案提供商，面向工业数据采集，工业控制，车载多媒体显示，车载监控，车载3G视频监控，车载GPS定位、3G广告发布，智能医疗控制终端等领域推出的基于i.MX6处理器的一款强大嵌入式核心模块，支持android和Linux操作系统。支持双核心的i.MX 6Dual和四核的i.MX 6Quad。非常方便方案商、软件商、集成商在此基础上进一步开发，从而达到了减少开发成本、缩短开发流程、使产品快速上市的目的。
飞思卡尔i.MX 6系列集成一个、两个或四个ARM Cortex™-A9内核，运行速率高达1.2 GHz，它不仅提供卓越的性能还具有优化的功耗和无与伦比的可扩展性。该系列包括五个器件：单核i.MX 6Solo 和 i.MX 6SoloLite，双核i.MX 6Dual 和 i.MX 6DualLite，以及四核i.MX 6Quad应用处理器。这些产品是业界唯一基于ARM的应用处理器系列，单核、双核和四核实施方案实现了软件、功率和引脚兼容。 ”

王栋春 · 2024-1-9 22:18:20

电源设计
高速DSP系统PCB板设计首先需要考虑的是电源设计问题。在电源设计中，通常采用以下方法来解决信号完整性问题。
考虑电源和地的去耦
随着DSP工作频率的提高，DSP和其他IC元器件趋向小型化、封装密集化，通常电路设计时考虑采用多层板，建议电源和地都可以用专门的一层，且对于多种电源，例如DSP的I/O电源电压和内核电源电压不同，可以用两个不同的电源层，若考虑多层板的加工费用高，可以把接线较多或者相对关键的电源用专门的一层，其他电源可以和信号线一样布线，但要注意线的宽度要足够。
无论电路板是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容。为了节省空间，减少通孔数，建议多使用贴片电容。可把贴片电容放在PCB板背面即焊接面，贴片电容到通孔用宽线连接并通过通孔与电源、地层相连。
考虑电源分布的布线规则
分开模拟和数字电源层
高速高精度模拟元件对数字信号很敏感。例如，放大器会放大开关噪声，使之接近脉冲信号，所以在板上模拟和数字部分，电源层一般是要求分开的。
隔离敏感信号
有些敏感信号(如高频时钟) 对噪声干扰特别敏感，对它们要采取高等级隔离措施。高频时钟(20MHz以上的时钟，或翻转时间小于5ns的时钟)必须有地线护送，时钟线宽至少10mil，护送地线线宽至少20mil，高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触，而且每5cm 打过孔与地层连接；时钟发送侧必须串接一个22Ω～220Ω的阻尼电阻。可避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。”

王栋春 · 2024-1-9 22:18:37

软、硬件抗干扰设计一般高速DSP应用系统PCB板都是由用户根据系统的具体要求而设计的，由于设计能力、实验室条件有限，如不采取完善、可靠的抗干扰措施，一旦遇到工作环境不理想、有电磁干扰就会导致DSP程序流程紊乱，当DSP正常工作代码不能恢复时，将出现跑飞程序或死机现象，甚至会损坏某些元器件。应注意采取相应的抗干扰措施。
硬件抗干扰设计
硬件抗干扰效率高，在系统复杂度、成本、体积可容忍的情况下，优先选用硬件抗干扰设计。常用的硬件抗干扰技术可归纳为以下几种:
(1) 硬件滤波：RC 滤波器可以大大削弱各类高频干扰信号。如可以抑制“毛刺”干扰。
(2) 合理接地：合理设计接地系统，对于高速的数字和模拟电路系统来说，具有一个低阻抗、大面积的接地层是很重要的。地层既可以为高频电流提供一个低阻抗的返回通路，而且使EMI、RFI变得更小，同时还对外部干扰具有屏蔽作用。PCB 设计时把模拟地和数字地分开。
(3) 屏蔽措施：交流电源、高频电源、强电设备、电弧产生的电火花，会产生电磁波，成为电磁干扰的噪声源，可用金属壳体把上述器件包围起来，再接地，这对屏蔽通过电磁感应引起的干扰非常有效。
(4) 光电隔离：光电隔离器可以有效地避免不同电路板间的相互干扰，高速的光电隔离器常用于DSP和其他设备(如传感器、开关等) 的接口。
软件抗干扰设计
软件抗干扰有硬件抗干扰所无法取代的优势，在DSP 应用系统中还应充分挖掘软件的抗干扰能力，从而将干扰的影响抑制到最小。下面给出几种有效的软件抗干扰方法。

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