專業(yè)的編程器廠商是如何做到比山寨的產(chǎn)品好呢？不是廣告打得更多，也不是產(chǎn)品賣(mài)得更貴，而是技術(shù)創(chuàng)新。

　　普通編程器以低廉的價(jià)格獲得很多個(gè)人和工程師的喜愛(ài)，但在99%的工廠生產(chǎn)線上，為何看不到這類產(chǎn)品呢？因?yàn)楣S需要更專業(yè)的編程器產(chǎn)品來(lái)滿足多芯片、高效率的要求。工廠用的編程器又有哪些技術(shù)創(chuàng)新呢？

　　一、主控MCU+FPGA構(gòu)架

　　FPGA的I/O可編程，這給邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的靈活性和獨(dú)立性。在編程器的硬件實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)PGA是一種“半定制”的芯片，這個(gè)特性對(duì)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(shí)本質(zhì)就是寄存器，這些寄存器都有一個(gè)相應(yīng)的地址，操作IO口就是操作寄存器；片內(nèi)外設(shè)相對(duì)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)具有特定功能模塊，其內(nèi)部包含多個(gè)寄存器控制不同的功能執(zhí)行，但是這些寄存器也有固定的地址。通過(guò)存儲(chǔ)器映射的方式，把片內(nèi)外設(shè)和CPU連接起來(lái)，組成一個(gè)系統(tǒng)。

　　值得注意的是，這些片內(nèi)外設(shè)對(duì)外接口都是連接固定的管腳，如果要對(duì)這些外設(shè)控制完成特定的功能設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)隱含了對(duì)這些管腳控制了。比如說(shuō)，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(chǔ)芯片都必須與這兩個(gè)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(duì)應(yīng)的接口連接，對(duì)于復(fù)雜腳多的芯片，這對(duì)PCB的布局布線有很大的局限性和挑戰(zhàn)性。

　　FPGA就以靈活性見(jiàn)長(zhǎng)，可編程IO就是其中的一個(gè)重要功能?？删幊蘄O給PCB的設(shè)計(jì)帶來(lái)靈活性，可以簡(jiǎn)化PCB的布局布線，并且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還可以根據(jù)走線的走向更改管腳的連接。另外，在FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以先把功能模塊設(shè)計(jì)與管腳分配兩步獨(dú)立開(kāi)來(lái)，先完成內(nèi)部邏輯功能之后，再根據(jù)實(shí)際情況分配管腳。因此，可編程IO給FPGA邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的靈活性和獨(dú)立性，其在這個(gè)環(huán)節(jié)中充當(dāng)一個(gè)“連接者”的角色，為邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)鋪路架橋，如圖4所示。

　　實(shí)際FPGA內(nèi)部并不像圖4那么簡(jiǎn)單，這里只是為了形象說(shuō)明可編程IO可以使內(nèi)部邏輯和PCB可以相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)。對(duì)于同類接口，不必因?yàn)镻CB改變而更改時(shí)序邏輯，只需要更改引腳分配，大大簡(jiǎn)化了PCB的布線難度。

　　二、合理安排流水線

　　稍微思考下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，編程器在編程過(guò)程中是按照這樣一個(gè)順序執(zhí)行的：從上位機(jī)取命令數(shù)據(jù)→命令解析→執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)按順序循環(huán)執(zhí)行的，對(duì)應(yīng)的操作為取指、譯碼和執(zhí)行，解釋如下：

　　取指----從命令FIFO中取出指令。

　　譯碼----根據(jù)指令，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

　　執(zhí)行----執(zhí)行擦除、編程或者檢驗(yàn)操作，或者設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

　　如果沒(méi)有采用流水線技術(shù)，時(shí)空?qǐng)D如圖5所示。

　　從圖5可知，每條命令都要經(jīng)過(guò)取指、譯碼和執(zhí)行后才能進(jìn)行下一條命令，這嚴(yán)重影響系統(tǒng)的效率。最致命的是，取指、譯碼和執(zhí)行都不能同時(shí)工作，只有完成取指之后才能譯碼，譯碼之后才能執(zhí)行。

　　因此，編程器做出了改變，采用了“流水線”技術(shù)。根據(jù)編程器的操作步驟，可以把工作流程分為取指、譯碼和執(zhí)行三部分，每一部分負(fù)責(zé)自己的工作。這樣不僅細(xì)化了整個(gè)工作流程，而且能夠使三部分同時(shí)工作，從而提高了并行度，進(jìn)而提高了工作效率。在FPGA硬件實(shí)現(xiàn)上，這三部分分別對(duì)應(yīng)三個(gè)電路，并且在它們之間都插入寄存器組，組成三級(jí)流水線，如圖3所示。這樣，在每個(gè)時(shí)鐘周期下，取指、譯碼和執(zhí)行部分同時(shí)使用上級(jí)傳下來(lái)的數(shù)據(jù)工作，并且在下一個(gè)周期把結(jié)果傳給寄存器以供下一級(jí)電路使用。在這個(gè)過(guò)程中，寄存器起到了暫存結(jié)果的作用。

　　相關(guān)的命令執(zhí)行在時(shí)間上是交疊在一起的，也就是說(shuō)三條命令同時(shí)工作(經(jīng)過(guò)首次延遲之后)！比如，在時(shí)刻T4，指令N+3在取值，指令N+2在譯碼，指令N+1執(zhí)行。值得注意的是，在某一時(shí)刻，它們雖然同時(shí)工作，但操作的都不是同一條指令。另外，在每個(gè)周期，都有一條命令在“執(zhí)行”，也就是說(shuō)一個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果，而無(wú)流水線技術(shù)需要3個(gè)周期才有一個(gè)結(jié)果，相比之下，工作效率提高了3倍?？上驳氖牵魉€技術(shù)會(huì)提高頻率上限。

　　在FPGA設(shè)計(jì)上，需要估算取值、譯碼和之下三部分的延時(shí)，盡量做到它們之間的延時(shí)相等或者接近，才能發(fā)揮流水線的優(yōu)勢(shì)。另外，理論上，流水線級(jí)數(shù)越多，工作頻率越快，效率相對(duì)也高。

　　三、總結(jié)

　　通過(guò)硬件與軟件的高效搭配，專業(yè)編程器才能穩(wěn)定發(fā)揮專業(yè)職能，支撐起工廠批量穩(wěn)定編程的重任。