利用FPGA IP平臺引進(jìn)微控制器系統級芯片
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毋庸置疑，近年來(lái)談?wù)撟疃嗟男酒O計趨勢是轉向系統級芯片 (System-on-a-chip; SoC) -- 透過(guò)工藝技術(shù)和設計方法的突飛猛進(jìn)而得以實(shí)現。但是SoC的發(fā)展進(jìn)程仍然緩慢，并且對市場(chǎng)的變化非常敏感。此外，開(kāi)發(fā)SoC本質(zhì)上是一項成本高昂的高風(fēng)險事業(yè)。極少公司擁有充足資源，能負擔將SoC產(chǎn)品發(fā)展成為ASIC般生產(chǎn)所需的非經(jīng)常性工程開(kāi)支 (NRE)，即使公司擁有足夠資源也必須仔細考慮取得投資回報的機會(huì )。
在業(yè)內，迅速將產(chǎn)品推出市場(chǎng)的意愿非常重要。產(chǎn)品銷(xiāo)售每推遲一周都會(huì )對營(yíng)業(yè)額造成損失：舉例說(shuō)，如果產(chǎn)品的平均售價(jià)為1,500美元，而其制造商預計銷(xiāo)量將推高至每周100件，那么，設計推遲三個(gè)月便會(huì )帶來(lái)超過(guò)100萬(wàn)美元的損失。
因此，設計人員期望將現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 作為靈活的工業(yè)設計平臺。這一趨勢在工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信設計方面更加明顯，而本文稍后將加以敘述。在這種應用中，最初考慮的是采用專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP)，然后是專(zhuān)用集成電路(ASIC)。但是當考慮到上市時(shí)間、實(shí)施靈活性及未來(lái)廢棄過(guò)時(shí)等問(wèn)題時(shí)，設計小組決定轉向FPGA來(lái)進(jìn)行項目實(shí)施。
正如我們所料，上市時(shí)間壓力并不是導致設計人員轉向可編程邏輯器件在工業(yè)設計中獲得增值功能的唯一推動(dòng)力。當今的工藝幾何學(xué)能夠實(shí)現新一代的可編程邏輯器件，能以更高的速度提供更多更高速的邏輯，和更快的而且I/O更快、更低的價(jià)位更低。因此，FPGA現能用于嵌入式應用，而過(guò)去由于性能緣故，只有ASIC或ASSP才能達到這些要求。
現今的高功能FPGA不再局限于引進(jìn)系統粘合邏輯，還可作為SoC平臺，讓工業(yè)設計人員輕易地修改以進(jìn)行變更、修復缺陷，或在用戶(hù)需要升級和配合市場(chǎng)發(fā)展時(shí)創(chuàng )制未來(lái)的衍生產(chǎn)品。那些先前選擇半定制ASSP的設計人員，現已不需要再接受應用中未夠理想的解決方案；而可以通過(guò)較使用ASIC更快的速度構建以定制FPGA為基礎的方案，同時(shí)能適應變化多端的市場(chǎng)需求。
FPGA使用量增加的另一個(gè)原因是可編程到器件可編程加入的IP模塊數量和范圍大大增加，包括各種標準功能如廣泛用于工業(yè)應用的8051微控制器。這類(lèi)預校驗和測試的IP模塊專(zhuān)為可編程邏輯應用而優(yōu)化，使設計人員能夠快速構建系統并將其編程入FPGA。IP內核通常以網(wǎng)表或RTL資源形式提供，所以，設計人員無(wú)需更改便可快速使用，或者按照設計要求進(jìn)行配置。
例如，Actel的Core8051與8051指令集相容，能讓設計人員借助對現有微控制器架構方面的經(jīng)驗，發(fā)揮器件中具現有的大量代碼和工具的優(yōu)勢，進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。通常，這類(lèi)內核都具有額外特性：如Core8051擁有片上調試能力，能于簡(jiǎn)化內核在深度嵌入時(shí)簡(jiǎn)化的系統調試，協(xié)助設計人員更快地將產(chǎn)品推出市場(chǎng)。
當年產(chǎn)量高達在10萬(wàn)件以?xún)葧r(shí)，FPGA可以是一個(gè)出色的平臺，能滿(mǎn)足許多工業(yè)和嵌入式控制市場(chǎng)區間的需要。以微控制器為基礎的SoC的發(fā)展有兩個(gè)主要因素，分別是需要集成的元件或外設數量，以及所選元件的應用軟件和專(zhuān)用驅動(dòng)程序的集成。在理想情況下，設計人員當然希望以減少工藝步驟序和元件數來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。此外，他們也會(huì )簡(jiǎn)化應用軟件的集成。在FPGA內使用FPGA內的可綜合或“軟”IP平臺是簡(jiǎn)化設計過(guò)程和縮短上市時(shí)間的現代化解決方案。在流程圖 (圖1) 中，我們比較了使用大量IP內核構建微控制器SoC的關(guān)鍵步驟和使用IP平臺開(kāi)發(fā)FPGA設計所需的步驟。
IP平臺設計將多個(gè)元件集成在一個(gè)專(zhuān)用模塊中。這些元件模塊及平臺已經(jīng)進(jìn)行預集成和預校驗。當然，IP預構建模塊的主要問(wèn)題是用戶(hù)可能并不想要集成平臺各部分中所有的元件和特性。這個(gè)問(wèn)題的解決方法是不單將元件模塊甚至這些元件模塊的關(guān)鍵產(chǎn)品特性也設定成可配置。
事實(shí)上，Actel的Core8051 是這種預校驗、可配置平臺的一部分，名為Platform8051。除了8位Core8051微控制器外，它還包括五個(gè)其它IP單元：Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI、和Core16X50。設計人員可指定這些IP內核的任何配置以實(shí)現與別不同的SoC設計，而付出的時(shí)間和開(kāi)支只占開(kāi)發(fā)ASIC所需的一部分。
Core8051是功能齊全的單周期8位微控制器單元，與流行的ASM51指令代碼相容，并且能在40 MHz以上頻率工作。8051指令代碼廣泛用于各電子工業(yè)領(lǐng)域的嵌入式系統中。圖2所示為這種內核特性的說(shuō)明框圖。Core10/100是以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器，以10或 100 Mb/s的數據速率與局域網(wǎng)連接，具有用于物理連接的媒體獨立接口 (MII)，并可按照IEEE802.3標準執行帶沖突檢測的載波傳感多重訪(fǎng)問(wèn) (CSMA/CD) 算法。這兩個(gè)內核組成了Platform8051開(kāi)發(fā)套件中使用的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器設計。
Platform8051還由四個(gè)其它外設內核構成：
• CoreSDLC是高速同步串行數據鏈路控制器，運作與工作在CPU控制下SDLC模式的Intel 80C152全局串行信道相似。該內核被用作嵌入應用的定制串行接口。
• CoreI2C是提供雙線(xiàn)串行接口的總線(xiàn)控制器，支持Philips I2C標準的100 kb/s和400 kb/s數據傳輸。這種菊花鏈式總線(xiàn)標準獲許多消費電子和嵌入式應用采用。
• CoreSPI是串行外設接口，可在8051和外圍設備之間實(shí)現同步串行數據傳輸。SPI是一種用于各種嵌入式應用的點(diǎn)對點(diǎn)總線(xiàn)標準。
• Core16X50是帶有或不帶FIFO支持的通用異步收發(fā)器 (UART)，與德州儀器的16550器件軟件相容，并且為Core8051增添額外的串行通道。它也可以用作串行或調制解調器接口。
在嵌入式控制應用中，Platform8051內包的元件內核都是經(jīng)常用的外設，因為它們允許設計人員實(shí)現諸如傳感、控制、監控和通信等關(guān)鍵功能。通過(guò)這些預校驗單元，設計人員可以方便地重新利用IP，而毋須花費時(shí)間將相同的內核反復開(kāi)發(fā)和集成于平臺中。使用Platform8051，設計小組可以將寶貴的設計和校驗時(shí)間用于開(kāi)發(fā)增值的應用軟件和外設，使到最終產(chǎn)品更具特色。
設計人員需要開(kāi)發(fā)工具來(lái)創(chuàng )制FPGA和用于8051的應用代碼。Actel的Libero設計環(huán)境可讓設計人員模擬仿真和綜合完整的集成RTL，然后在網(wǎng)表級別對設計進(jìn)行模擬仿真和時(shí)序分析，再使用Actel的Designer軟件進(jìn)行布局布線(xiàn)。最后，使用Actel的FlashPRO或Silicon Sculptor編程器對FPGA進(jìn)行編程。
在微控制器編程和調試方面，Actel與First Silicon Solutions (FS2) 和Keil Software兩家公司合作。FS2 System Analyzer (www.fs2.com/isa-actel51.html) 的設計支持應用軟件的在線(xiàn)調試，使用Actel Core8051微控制器的特殊功能和集成外設。FS2 On-Chip Instrumentation (芯片級在線(xiàn)調試儀；OCI™) 的延伸 – 即專(zhuān)用的“硅鉤” – 將集成在Core8051 MCU中，讓FS2可以提供功能先進(jìn)和強大的調試工具。來(lái)自Keil的 μVision (www.keil.com/uvision2/) 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 將項目管理、源代碼編輯和程序調試組合成為功能強大的開(kāi)發(fā)環(huán)境。µVision 調試器是功能強力大的全功能器件和全面，允許軟件開(kāi)發(fā)人員在PC上完整全面地模擬對目標程式進(jìn)行仿真。
除了軟件開(kāi)發(fā)工具外，Actel還提供Platform8051開(kāi)發(fā)套件(www.actel.com/products/tools/demoboards/platform8051.html )，如圖3所示，使設計人員能夠觀(guān)察Actel內核的工作情況，并迅速和有效地創(chuàng )建和模擬衍生產(chǎn)品設計。該套件可以大幅減少系統校驗時(shí)間。它還包括一個(gè)可重編程ProASICPLUS FPGA、先前提到在器件上編程的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器設計、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器示范代碼范例、所有相應的電纜、FS2 System Analyzer和 Keil µVision評估軟件包，以及可供選擇性的FlashPRO Lite編程器。
換句話(huà)說(shuō)，設計人員只可在A(yíng)SIC和FPGA之間選擇。項目成本分析研究顯示，對于所預計的模塊批量，ASIC和FPGA器件的成本接近；但是FPGA毋需任何NRE投資。因此，設計小組決定采用FPGA方案。
當設計小組考慮項目所需的IP時(shí)，更加認識到FPGA在成本和上市時(shí)間方面具有更大優(yōu)勢。 由于FPGA供應商已經(jīng)擁有項目所需的大多數IP，因此設計小組只需開(kāi)發(fā)少量特別的IP。使用預開(kāi)發(fā)和校驗IP能縮短設計周期長(cháng)達六個(gè)月，讓設計小組可以更快的速度和更短的時(shí)間將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。而更短的上市時(shí)間可帶來(lái)實(shí)在的財務(wù)成果。因為產(chǎn)品占據的市場(chǎng)份額大于預期，所以推動(dòng)明顯地增加了銷(xiāo)售和利潤的顯著(zhù)增加。
與此同時(shí)，設計小組可以根據較大型用戶(hù)的應用和特定需求定制模塊，并且在毋須替換整個(gè)線(xiàn)路板的情況下進(jìn)行現場(chǎng)產(chǎn)品升級，其中只需要對FPGA進(jìn)行重新編程。此舉能降低用戶(hù)的整體擁有成本、增加產(chǎn)品的認知價(jià)值，并擴大市場(chǎng)需求。
工業(yè)設計人員所面對的上市時(shí)間壓力從未如此巨大。不論是設計網(wǎng)絡(luò )接口、電機控制器、邏輯控制器、通信系統、或任何數以百計的工業(yè)應用，FPGA結合種類(lèi)繁多的可用IP正成為工業(yè)設計的優(yōu)選方案。就上市時(shí)間、執行的靈活性及未來(lái)的產(chǎn)品廢棄過(guò)時(shí)等因素而言，FPGA較ASSP和ASIC解決方案具有更多優(yōu)勢。此外，因為許多工業(yè)應用從未達到大批量，FPGA常較傳統的ASIC方案提供更多的成本節省。設計人員能夠迅速編程把功能編程并在應用產(chǎn)品中測試產(chǎn)品，然后對功能規格的變化進(jìn)行重新編程，自然對工業(yè)工程師別具吸引力。這些特性再結合目前在性能、尺寸和價(jià)格方面的進(jìn)步，可讓工業(yè)設計人員透過(guò)所熟悉的標準迅速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并使產(chǎn)品留存在市場(chǎng)的留存時(shí)間和獲得的銷(xiāo)售收入提升至最高。
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