安鼎安：專業編程器好在哪？這2點做好就足夠

專業的編程器廠商是如何做到比山寨的產品好呢？不是廣告打得更多，也不是產品賣得更貴，而是技術創新。

　　普通編程器以低廉的價格獲得很多個人和工程師的喜愛，但在99%的工廠生產線上，為何看不到這類產品呢？因為工廠需要更專業的編程器產品來滿足多芯片、高效率的要求。工廠用的編程器又有哪些技術創新呢？

　　一、主控MCU+FPGA構架

　　FPGA的I/O可編程，這給邏輯設計和PCB設計帶來一定的靈活性和獨立性。在編程器的硬件實現中，FPGA是一種“半定制”的芯片，這個特性對編程器能與各類封裝芯片互連有很大幫助作用。

　　MCU的管腳功能都是固定的，與外部接口通常使用IO口或者總線連接。普通IO口其實本質就是寄存器，這些寄存器都有一個相應的地址，操作IO口就是操作寄存器；片內外設相對來說，是一個具有特定功能模塊，其內部包含多個寄存器控制不同的功能執行，但是這些寄存器也有固定的地址。通過存儲器映射的方式，把片內外設和CPU連接起來，組成一個系統。

　　值得注意的是，這些片內外設對外接口都是連接固定的管腳，如果要對這些外設控制完成特定的功能設計，實質上已經隱含了對這些管腳控制了。比如說，MUC的IIC接口的SCK和SDA分配在99和100腳，那么所有IIC接口的存儲芯片都必須與這兩個腳連接，如圖3所示：

　　各類需要編程的芯片如果要與MCU連接，就必須與之對應的接口連接，對于復雜腳多的芯片，這對PCB的布局布線有很大的局限性和挑戰性。

　　FPGA就以靈活性見長，可編程IO就是其中的一個重要功能?？删幊蘄O給PCB的設計帶來靈活性，可以簡化PCB的布局布線，并且在設計的過程中，還可以根據走線的走向更改管腳的連接。另外，在FPGA內部邏輯設計過程中，可以先把功能模塊設計與管腳分配兩步獨立開來，先完成內部邏輯功能之后，再根據實際情況分配管腳。因此，可編程IO給FPGA邏輯設計和PCB設計帶來一定的靈活性和獨立性，其在這個環節中充當一個“連接者”的角色，為邏輯設計和PCB設計鋪路架橋，如圖4所示。

　　實際FPGA內部并不像圖4那么簡單，這里只是為了形象說明可編程IO可以使內部邏輯和PCB可以相對獨立設計。對于同類接口，不必因為PCB改變而更改時序邏輯，只需要更改引腳分配，大大簡化了PCB的布線難度。

　　二、合理安排流水線

　　稍微思考下，就會發現，編程器在編程過程中是按照這樣一個順序執行的：從上位機取命令數據→命令解析→執行。這個過程是一個按順序循環執行的，對應的操作為取指、譯碼和執行，解釋如下：

　　取指----從命令FIFO中取出指令。

　　譯碼----根據指令，產生對應的控制信號。

　　執行----執行擦除、編程或者檢驗操作，或者設置相關參數。

　　如果沒有采用流水線技術，時空圖如圖5所示。

　　從圖5可知，每條命令都要經過取指、譯碼和執行后才能進行下一條命令，這嚴重影響系統的效率。Z致命的是，取指、譯碼和執行都不能同時工作，只有完成取指之后才能譯碼，譯碼之后才能執行。

　　因此，編程器做出了改變，采用了“流水線”技術。根據編程器的操作步驟，可以把工作流程分為取指、譯碼和執行三部分，每一部分負責自己的工作。這樣不僅細化了整個工作流程，而且能夠使三部分同時工作，從而提高了并行度，進而提高了工作效率。在FPGA硬件實現上，這三部分分別對應三個電路，并且在它們之間都插入寄存器組，組成三級流水線，如圖3所示。這樣，在每個時鐘周期下，取指、譯碼和執行部分同時使用上級傳下來的數據工作，并且在下一個周期把結果傳給寄存器以供下一級電路使用。在這個過程中，寄存器起到了暫存結果的作用。

　　相關的命令執行在時間上是交疊在一起的，也就是說三條命令同時工作(經過首次延遲之后)！比如，在時刻T4，指令N+3在取值，指令N+2在譯碼，指令N+1執行。值得注意的是，在某一時刻，它們雖然同時工作，但操作的都不是同一條指令。另外，在每個周期，都有一條命令在“執行”，也就是說一個周期產生一個結果，而無流水線技術需要3個周期才有一個結果，相比之下，工作效率提高了3倍?？上驳氖?，流水線技術會提高頻率上限。

　　在FPGA設計上，需要估算取值、譯碼和之下三部分的延時，盡量做到它們之間的延時相等或者接近，才能發揮流水線的優勢。另外，理論上，流水線級數越多，工作頻率越快，效率相對也高。

　　三、總結

　　通過硬件與軟件的高效搭配，專業編程器才能穩定發揮專業職能，支撐起工廠批量穩定編程的重任。