嵌入式系统经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控制系统，进而发展到嵌入式智能平台的几个发展阶段。从独立单机使用发展到联网设备。从以模拟电路为主发展到以数字电路为主、数模混合型，进而进入全数字时代。总的来说，嵌入式系统向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、无处不在的方向发展。嵌入式系统的设计和实现朝着基于芯片，特别是片上可编程系统（SOPC）的方向发展。
从系统对上市时间的要求、可定制特性以及集成度等方面考虑，FPGA在嵌入式系统中获得广泛应用，已经从早期的军事、通信系统等应用扩展到低成本消费电子类等产品中。目前，FPGA在嵌入式系统中，主要有3种使用方式：
采用90nm生产工艺之后，FPGA器件处理能力更强，且成本低、功耗少，已取代了相当数量的中小规模ASIC器件和处理器，使嵌入式系统具备片上系统（SOC）的规模和动态可编程的能力，具有明显的优势，成为嵌入式应用的主力军之一。
Xilinx公司作为FPGA的领军者，也提出了完整的解决方案和配套的开发工具。笔者最近参加了PSC08，较为完整的了解了Xilinx的嵌入式开发方案。
1. 解决方案
Xilinx公司的嵌入式解决方案以3类RISC结构的微处理器为核心，涵盖了系统硬件设计和软件调试的各个方面。3类嵌入式内核分别为：PicoBlaze、MicroBlaze和PowerPC，其中PicoBlaze和MicroBlaze是可裁剪的软核处理器，PowerPC为硬核处理器。
PicoBlaze是由VHDL语言在早期开发的小型8位软处理器内核包，其汇编器是简单的DOS可执行文件KCPSM2.exe，用汇编语言编写的程序经过编译后放入FPGA的块RAM存储区，汇编器可在3s内编译完存储在块RAM中的程序。
目前使用较多的是MicroBlaze和PowerPC。MicroBlaze采用功能强大的32位流水线RISC结构，包含32个32位通用寄存器和一个可选的32位移位寄存器，时钟可达150MHz，在Virtex 2 Pro以及更高系列的平台上，运行速度可达120DMIPs（DhrystoneMIPS），占用资源不到1000个Slice。
PowerPC是32位PowerPC嵌入式环境架构，确定了若干参数，用以保证在应用程序级实现兼容，增加了其设备扩展的灵活性。Xilinx将PowerPC 405处理器内核整合到Virtex 2 Pro系列以及更高等级系列的芯片中，允许该硬IP核能够深入到FPGA架构的任何部位，提供高端嵌入式应用的FPGA解决方案。Virtex 4以及Virtex 5系列部分芯片中集成了2~4个PowerPC405处理器核。
2. 开发工具
嵌入式开发套件（EDK）是用于设计嵌入式可编程系统的全面的解决方案，该套件包括了嵌入式软件工具（Platform Studio）以及嵌入式 IBM PowerPC 硬件处理器核和/或 Xilinx MicroBlaze 软处理器核进行Xilinx平台FPGA设计时所需的技术文档和IP。注意：这里嵌入式软件工具指用来产生、编辑、编译、链接、加载和调试高级编程语言（通常是C或 C++）代码的工具，以便在处理器引擎上执行。
此外，Xilinx公司提供了大量的硬件平台（即评估板），提供了大量的软、硬件设计参考，使得设计人员可以快速了解嵌入式系统的基本操作和大量的IP核的使用方法，并对其完成评估，以确定最优的设计方案。一般来讲，最快捷的硬件设计方式是，在设计系统时以相应的评估板为母板，然后对其上进行必要的修改。
基于FPGA的可配置嵌入式系统开发技术以及相应的片上可编程系统（SOPC）解决方案，融入了微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术，不仅提供了基于嵌入式智能平台的嵌入式系统的设计方法，还降低了设计难度、缩短了研发周期，必成为未来的主流趋势之一。
北京邮电大学 田耘
