安鼎安：专业编程器好在哪？这2点做好就足够

专业的编程器厂商是如何做到比山寨的产品好呢？不是广告打得更多，也不是产品卖得更贵，而是技术创新。

　　普通编程器以低廉的价格获得很多个人和工程师的喜爱，但在99%的工厂生产线上，为何看不到这类产品呢？因为工厂需要更专业的编程器产品来满足多芯片、高效率的要求。工厂用的编程器又有哪些技术创新呢？

　　一、主控MCU+FPGA构架

　　FPGA的I/O可编程，这给逻辑设计和PCB设计带来一定的灵活性和独立性。在编程器的硬件实现中，FPGA是一种“半定制”的芯片，这个特性对编程器能与各类封装芯片互连有很大帮助作用。

　　MCU的管脚功能都是固定的，与外部接口通常使用IO口或者总线连接。普通IO口其实本质就是寄存器，这些寄存器都有一个相应的地址，操作IO口就是操作寄存器；片内外设相对来说，是一个具有特定功能模块，其内部包含多个寄存器控制不同的功能执行，但是这些寄存器也有固定的地址。通过存储器映射的方式，把片内外设和CPU连接起来，组成一个系统。

　　值得注意的是，这些片内外设对外接口都是连接固定的管脚，如果要对这些外设控制完成特定的功能设计，实质上已经隐含了对这些管脚控制了。比如说，MUC的IIC接口的SCK和SDA分配在99和100脚，那么所有IIC接口的存储芯片都必须与这两个脚连接，如图3所示：

　　各类需要编程的芯片如果要与MCU连接，就必须与之对应的接口连接，对于复杂脚多的芯片，这对PCB的布局布线有很大的局限性和挑战性。

　　FPGA就以灵活性见长，可编程IO就是其中的一个重要功能。可编程IO给PCB的设计带来灵活性，可以简化PCB的布局布线，并且在设计的过程中，还可以根据走线的走向更改管脚的连接。另外，在FPGA内部逻辑设计过程中，可以先把功能模块设计与管脚分配两步独立开来，先完成内部逻辑功能之后，再根据实际情况分配管脚。因此，可编程IO给FPGA逻辑设计和PCB设计带来一定的灵活性和独立性，其在这个环节中充当一个“连接者”的角色，为逻辑设计和PCB设计铺路架桥，如图4所示。

　　实际FPGA内部并不像图4那么简单，这里只是为了形象说明可编程IO可以使内部逻辑和PCB可以相对独立设计。对于同类接口，不必因为PCB改变而更改时序逻辑，只需要更改引脚分配，大大简化了PCB的布线难度。

　　二、合理安排流水线

　　稍微思考下，就会发现，编程器在编程过程中是按照这样一个顺序执行的：从上位机取命令数据→命令解析→执行。这个过程是一个按顺序循环执行的，对应的操作为取指、译码和执行，解释如下：

　　取指----从命令FIFO中取出指令。

　　译码----根据指令，产生对应的控制信号。

　　执行----执行擦除、编程或者检验操作，或者设置相关参数。

　　如果没有采用流水线技术，时空图如图5所示。

　　从图5可知，每条命令都要经过取指、译码和执行后才能进行下一条命令，这严重影响系统的效率。最致命的是，取指、译码和执行都不能同时工作，只有完成取指之后才能译码，译码之后才能执行。

　　因此，编程器做出了改变，采用了“流水线”技术。根据编程器的操作步骤，可以把工作流程分为取指、译码和执行三部分，每一部分负责自己的工作。这样不仅细化了整个工作流程，而且能够使三部分同时工作，从而提高了并行度，进而提高了工作效率。在FPGA硬件实现上，这三部分分别对应三个电路，并且在它们之间都插入寄存器组，组成三级流水线，如图3所示。这样，在每个时钟周期下，取指、译码和执行部分同时使用上级传下来的数据工作，并且在下一个周期把结果传给寄存器以供下一级电路使用。在这个过程中，寄存器起到了暂存结果的作用。

　　相关的命令执行在时间上是交叠在一起的，也就是说三条命令同时工作(经过首次延迟之后)！比如，在时刻T4，指令N+3在取值，指令N+2在译码，指令N+1执行。值得注意的是，在某一时刻，它们虽然同时工作，但操作的都不是同一条指令。另外，在每个周期，都有一条命令在“执行”，也就是说一个周期产生一个结果，而无流水线技术需要3个周期才有一个结果，相比之下，工作效率提高了3倍。可喜的是，流水线技术会提高频率上限。

　　在FPGA设计上，需要估算取值、译码和之下三部分的延时，尽量做到它们之间的延时相等或者接近，才能发挥流水线的优势。另外，理论上，流水线级数越多，工作频率越快，效率相对也高。

　　三、总结

　　通过硬件与软件的高效搭配，专业编程器才能稳定发挥专业职能，支撑起工厂批量稳定编程的重任。