Microsemi SmartFusion系列FPGA簡介

前言

Actel SmartFusion®系列智能型混合信號 FPGA 採用與 Fusion 混合信號 FPGA 相同的技術，並通過 Flash 半導體工藝集成了可編程的高性能模擬模塊和硬化的 ARM® Cortex-M3 微控制器模塊。SmartFusion 將這三種不相關的技術整合在一起，使得其成本大大降低，佔位面積大大減少，不僅具有 FPGA 的高速並行的特點，而且可以發揮 ARM 靈活控制的長處，取長補短，它將成爲新一代 SOC 完美的解決方案。

關於Microsemi SmartFusion系列，開發工具Libero SoC的使用，FPGA和ARM部分的開發等，可以關注我的專欄：Microsemi Libero系列教程

微控制器系統（MSS）

MSS 由 100 MHz Cortex-M3 處理器與集成外設組成，其中，外設通過一個多層 AHB 總線矩陣（ABM）互相連接。這個矩陣使得 Cortex-M3 處理器、FPGA Fabric 主機、以太網MAC（有效時）以及外設 DMA（PDMA）控制器充當着集成外設、FPGA Fabric、嵌入式非易失存儲器（eNVM）、嵌入式同步 RAM（eSRAM）、外部存儲器控制器（EMC）和模擬計算引擎（ACE）模塊的主機。

不同密度的 SmartFusion 器件其集成外設的組合也不同。可用的外設包括 SPI、I2C 和 UART 串行端口、嵌入式 FlashROM（EFROM）、10/100 以太網 MAC、定時器、鎖相環（PLL）、振盪器、實時計數器（RTC）和外設 DMA 控制器（PDMA）。

• 100 MHz 的 32 位 ARM® Cortex™-M3，零等待狀態存儲器實現 1.25 DMIPS/MHz 吞吐量
• 存儲器保護單元（MPU）
• 單週期乘法，硬件除法
• JTAG 調試（四線），串行線調試（SWD–雙線）和單線瀏覽器（SWV）接口
• 嵌入式 Flash 存儲器（eNVM），64K 字節～512K 字節
• 嵌入式高速 SRAM（eSRAM），16K 字節～64K 字節，含 2 個物理塊，2 個不同主機可同時訪問它
• 片上存儲器的帶寬最高可達 16 Gbps
• 帶 RMII 接口的 10/100 以太網 MAC
• 可編程的外部存儲器控制器
• 異步存儲器
• NOR Flash，SRAM，PSRAM
• 同步 SRAM
• 兩個 I2C 外設
• 兩個 16550 UART
• 兩個 SPI 外設
• 兩個 32 位定時器
• 32 位看門狗定時器
• 8 通道 DMA 控制器
• 1.5 MHz～20 MHz 主振盪器
• 電池供電的、帶實時計數器（RTC）的 32 KHz 低功率振盪器
• 精度爲 1%的 100 MHz 嵌入式 RC 振盪器
• 帶 4 個輸出相位的嵌入式 PLL

高性能FPGA

Actel SmartFusion 系列器件基於已經證實的 ProASIC3 Flash FPGA 體系結構，擁有隻有基於 Flash 的器件纔有的優勢：

• 採用基於 Flash 的、130nm、7 層金屬的 CMOS 工藝
• 非易失，斷電時保留程序
• 350 MHz 系統性能
• 嵌入式 SRAM 與 FIFO
• SRAM block 的長寬比可調節
• 可選用×1，×2，×4，×9 與×18 組合
• 真實雙端口 SRAM（×18 組合除外）
• 可編程的嵌入式 FIFO 控制邏輯
• 通過 JTAG 採用 128 位高級加密標準（AES）解密技術實現安全 ISP
• 採用 FlashLock 技術保護 FPGA 內容
• 5 個時鐘調節電路（CCC）模塊，每個模塊最多可帶 2 個集成模擬 PLL
• 相移、分頻/倍頻、延時等均可配置
• 頻率：輸入爲 1.5～350 MHz，輸出爲 0.75～350 MHz

可編程模擬前端（AFE）

SmartFusion 器件在 Fusion 器件的基礎上增加了一個增強型模擬前端。逐次逼近型模數轉換器（SAR ADC）與 Fusion 器件上的那些 ADC 類似。此外，SmartFusion 還增加了一級sigma-delta（∑-△）數模轉換器（SDD DAC）。

SmartFusion 通過其信號調節模塊（SCB）可以同時處理多個模擬信號。SCB 由有源雙極預分頻器（ABPS）、比較器、電流監控器與溫度監控器聯合組成。ABPS 模塊可以向 ADC 提供大的雙極電壓。電流監控器負責提取外部檢測電阻兩端的電壓並將它轉換成一個適合 ADC 輸入範圍的電壓。類似地，溫度監控器負責讀取流過外部 PN 結點（二極管或三極管）的電壓並將它轉換成適用於 ADC 的電壓。此外，SCB 還包含了幾個比較器，用於在不使用 ADC 的情況下監控快速信號的閾值電壓。比較器的輸出可以饋送至模擬計算引擎或 ADC。

• 最多可包含 3 個 12 位 SAR ADC
• 12 位模式時的速率爲 500 Ksps
• 8 位和 10 位模式時的速率爲 600 Ksps
• 2.56V 內部參考電壓或者外部參考電壓
• 每個 ADC 包含一個一級 Sigma-Delta（Σ- ）DAC
• 12 位 500 Ksps 更新速率
• 每個器件最多可包含 5 個新的高性能模擬信號調節模塊（SCB），每個模塊包括：
• 2 個高電壓雙極電壓監控器（4 個輸入的電壓爲±2.5V～－11.5/＋14V），精度爲 1%
• 高增益電流監控器，差分增益=50，共模電壓高達 14V
• 溫度監控器（12 位模式時的分辨率=1/4℃；準確溫度範圍是-55℃～150℃）
• 多達 10 個高速比較器（tpd = 50ns）

模擬計算引擎（ACE）

模擬計算引擎（ACE）相當於一個小處理器，我們通過它來控制 SmartFusion 中的混合信號模塊以及將這些模塊連接到其它系統。ACE 的任務是不再讓 Cortex-M3 來控制模擬模塊，因此相對於由主處理器負責監控模擬模塊這種做法，其吞吐率要更快，功耗也更低。 ACE 專門用來處理 ADC、DAC 和 SCB 的採樣、時序以及後處理等過程。

特點簡介

• 低成本

Flash 技術帶給設計人員的好處遠遠不止低單位成本、高性能和使用方便。與基於 SRAM 的 FPGA 不同的是，以 Flash 爲基礎的 SmartFusion 器件具有上電即行的特性，不需要外部引導 PROM；板內的安全機制可以防止編程信息被訪問，從而使得 FPGA 邏輯可以安全地進行遠程更新。設計人員也可以執行安全的遠程在系統編程（ISP），以支持未來的反覆設計與現場升級，同時又確保寶貴的知識產權（IP）不會被泄漏或複製。此外，我們還可以通過業內標準的 AES 算法來實現安全的在系統編程（ISP）

• 低功耗

基於 Flash 的 SmartFusion 器件所表現出來的功率特性與 ASIC 類似，這使得它們非常適用於注重功耗的應用場合。我們知道，許多 FPGA 器件在上電時常常會出現電流浪涌（current surge）和大的過渡電流，而 SmartFusion 器件卻不會出現這類問題。

此外，SmartFusion 器件的動態功耗很低，並支持低功耗待機模式與超低功耗睡眠模式，因而進一步節省了功耗。

• 安全

基於 Flash 的非易失性 SmartFusion 器件不需要引導 PROM，因此不存在脆弱的且容易被拷貝的外部位流。SmartFusion 器件內部集成了 FlashLock 技術，無需任何外部開銷就可以提供一種結合“可重複編程和設計安全”的獨特組合，並且擁有配備非易失性 Flash 編程能力的 FPGA 才具有的優點。

SmartFusion 器件使用一個 128 位 FlashLock 和一個單獨的 AES 密鑰加密已編程好的知識產權（IP）和配置數據。在裝載 Fusion 器件的 FlashROM 數據之前，我們也可以先將它們加密。此外，通過使用 AES-128（FIPS192）分組密碼（block cipher）加密標準，還可以在運行期間對 Flash 存儲器塊進行編程。

經過 AES 加密的 SmartFusion 器件可以通過公共網絡（像互聯網等）安全地進行遠程在線升級，確保寶貴的 IP 不會被過建、拷貝或剽竊。另外一種安全措施是，我們可對已編程 SmartFusion 器件的配置信息進行安全設計驗證，但不能將它讀回。在設計過程中，用戶既可以控制和定義 Flash 存儲塊的內部訪問也可控制其外部訪問。

內置在 FPGA Fabric 內的安全性是 SmartFusion 器件固有的特性。Flash 單元位於 7 層金屬層之下，並且使用了非常多的器件設計與佈局技術，可以很好地抵制侵入性攻擊（invasive attack）。帶有 FlashLock 和 AES 加密的 SmartFusion 系列器件是唯一一類能很好地抵制侵入性攻擊和非侵入性攻擊的器件，它使得用戶寶貴的 IP 可以受到很好的保護，同時也讓遠程 ISP 變成了可能。SmartFusion 器件爲可編程邏輯設計提供了最牢靠的安全性。

• 單芯片

基於 Flash 的 FPGA 將配置信息存放在片內 Flash 單元中。一旦被編程好後，配置數據就成爲了 FPGA 結構的一個固有部分，這樣系統上電時就不再需要加載外部配置數據（這與基於 SRAM 的 FPGA 不同）。因此，基於 Flash 的 SmartFusion FPGA 在加載器件配置數據時不需要 EEPROM 或微控制器等系統配置元件。這樣一來既降低了物料清單（bill-of-material）的花費，又節省了印刷電路板（PCB）的空間，同時還提高了安全性和系統可靠性。

• 上電即運行

基於 Flash 的 SmartFusion 器件支持上電即行（LAPU）。LAPU SmartFusion 器件無需複雜的可編程邏輯器件（CPLD），極大地簡化了整個系統設計並降低了總系統成本。 SmartFusion 用 LAPU 時鐘（PLL）替代了片外時鐘資源。此外，就算系統電源出現干擾脈衝（glitch）和掉電等情況，SmartFusion 器件的 Flash 配置也不會被破壞。SmartFusion 器件與基於 SRAM 的 FPGA 不同，當系統電源恢復供電時它不需要重新加載配置信息。這樣，在PCB 設計中就可以減少昂貴的電壓監控器與掉電檢測等器件的使用，甚至可以完全不需要使用它們。基於 Flash 的 SmartFusion 器件簡化了整個系統設計、降低了成本和設計風險，同時又提高了系統可靠性。

• 固件錯誤免疫
  當大氣層產生的高能量中子衝擊一個 SRAM FPGA 的配置單元時，常常會出現固件錯誤（Firm Error）。碰撞的能量可以改變配置單元的狀態，因而會以不可預測的方式改變其邏輯、佈線（routing）或 I/O 行爲。

此外，阿爾法粒子也會導致輻射引發的固件錯誤。阿爾法輻射若要引起軟錯誤或固件錯誤，其放射源必需非常靠近受影響的電路。阿爾法源應當位於封裝制模（package molding）混合物中或芯片本身內。通過越來越多地使用低阿爾法（low-alpha）制模混合物，可以幫助減少阿爾法引發的固件錯誤，但卻不能完全消除。

固件錯誤在 SRAM FPGA 中是不可避免的，它可能會導致系統徹底失效。但基於 Flash

的 SmartFusion FPGA 卻不會產生固件錯誤。因爲，它一旦被編程後，其 Flash 單元配置元素將不會被高能量中子改變，因此也就不受高能量中子的影響。所有 FPGA 器件的用戶數據

SRAM 都會出現可恢復錯誤或軟錯誤。用戶可以通過使用 FPGA Fabric 中內置的錯誤檢測和校正（EDAC）電路來減少這些錯誤的產生。

內部框圖

設計流程

Micosemi SmartFusion 系列 FPGA 部分的開發使用的是官方的Libero SoC，ARM微控制器程序的開發，可以使用通用的ARM MCU開發工具，如Keil、IAR等，也可以使用官方基於Eclipse和ARM GCC工具鏈的開發工具SoftConsole。

程序的下載和調試，FPGA 部分程序的下載和調試，使用FlashPro 4/5下載器，ARM部分程序的調試使用通用的ARM調試工具，JLink或CMSIS-DAP。當然，也可以使用SoftConsole+FlashPro來進行ARM程序的調試。

關於Microsemi SmartFusion系列，開發工具Libero SoC的使用，FPGA和ARM部分的開發等，可以關注我的專欄：Microsemi Libero系列教程

開發流程：

器件選型

SmartFusion 系列主要分爲3個型號，A2F060/A2F200/A2F500，資源依次增加，同一封裝的不同型號，可以直接替換。

注意：

• 有 16 個 MSS I/O 是複用的，如果 MSS 不需要這些 I/O，可以將它們用作 FPGA I/O。這些 I/O 支持施密特觸發器，但只支持 LVTTL 和 VCMOS（1.5/ 1.8/ 2.5，3.3V）標準。
• 有 9 個 MSS I/O 主要用於 10/100 以太網 MAC，它們也是複用的，如果設計中沒有用到以太網 MAC，可以將這些 I/O 用作 FPGA I/O。這些 I/O 支持施密特觸發器，但只支持 LVTTL 和 LVCMOS（1.5V/ 1.8/ 2.5，3.3V）標準。

管腳數量

溫度範圍

注：
[1] C = 商業溫度範圍：0℃～85℃（結溫）
[2] I = 工業溫度範圍：-40℃～100℃（結溫）

產品型號說明