利用FPGA IP平臺實(shí)現基于8051微控制器的SoC

產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁的今天，搶占市場(chǎng)先機與提供優(yōu)異性能同樣重要。而soc在提升產(chǎn)品競爭力方面功不可沒(méi)。fpga ip平臺提供了大大簡(jiǎn)化于傳統方法的快速soc設計方案，使設計者能在更短的時(shí)間內設計出功能更強大的soc

一直以來(lái)，從事消費電子、汽車(chē)電子等要求快速上市的產(chǎn)品的設計人員，都面臨著(zhù)設計時(shí)間縮短的巨大壓力?，F在，這種對時(shí)間要求比較苛刻的項目設計已經(jīng)向其他領(lǐng)域轉移，包括嵌入式控制和工業(yè)設計。加速產(chǎn)品的上市時(shí)間越來(lái)越重要，產(chǎn)品銷(xiāo)售每推遲一周，對生產(chǎn)商就意味著(zhù)很大的經(jīng)濟損失。舉個(gè)例子，如果某產(chǎn)品的平均售價(jià)為1 500美元，生產(chǎn)商預計每周銷(xiāo)售量達100件，若因設計緩慢而使產(chǎn)品推遲三個(gè)月上市，那么給生產(chǎn)商帶來(lái)的損失將超過(guò)100萬(wàn)美元。

勿庸置疑，近年來(lái)芯片設計領(lǐng)域談?wù)撟疃嗟脑?huà)題就是系統級芯片（system-on-chip；soc）—因工藝技術(shù)和設計方法的突飛猛進(jìn)而得以實(shí)現。但是soc的開(kāi)發(fā)進(jìn)程仍然比較緩慢，并且對市場(chǎng)變化非常敏感。而且，soc開(kāi)發(fā)本身就是一項耗資大、風(fēng)險高的工程。能夠將soc生產(chǎn)發(fā)展到asic的規模、負擔巨額的非經(jīng)常性工程開(kāi)支（nre）的公司也就寥寥無(wú)幾，即便是有這種生產(chǎn)實(shí)力的公司，也必須仔細考慮取得投資回報的機會(huì )。

fpga

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（fpga）作為一個(gè)靈活的設計平臺，被設計人員廣泛采用。 特別是在無(wú)線(xiàn)通信設計領(lǐng)域，這種趨勢更加明顯。本文介紹了fpga在無(wú)線(xiàn)通信設計中的一些應用。在該應用中，最初考慮選用專(zhuān)用標準產(chǎn)品(assp)方案和專(zhuān)用集成電路(asic)方案，但是當考慮到產(chǎn)品上市時(shí)間、設計靈活性以及產(chǎn)品未來(lái)過(guò)時(shí)等因素時(shí)，設計者最終選擇了fpga方案。

另外，產(chǎn)品的面市時(shí)間壓力并不是促使設計者最終選擇可編程邏輯器件的唯一原因。當今的工藝幾何學(xué)令新一代可編程邏輯器件能以更高的速度、更大的i/o吞吐量和更低的成本實(shí)現更多的邏輯功能。 因此，過(guò)去只能用assp或asic實(shí)現的嵌入式應用，現在可用fpga來(lái)實(shí)現。

現今，功能強大的fpga不再局限于引進(jìn)系統粘合邏輯，還可作為soc平臺，使工業(yè)設計人員方便地修改以進(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)開(kāi)發(fā)未來(lái)的衍生產(chǎn)品。對過(guò)去選擇半定制assp的設計人員來(lái)說(shuō)，現在的fpga方案可謂趨于完美；和過(guò)去的asic方案相比較，基于fpga的定制方案能在短時(shí)間內建立，并能很好地適應變化多端的市場(chǎng)需求。

fpga被廣泛應用的另一個(gè)原因是編程到器件的可用ip模塊的數量和范圍都在急劇增長(cháng)。ip模塊按應用的不同分為很多標準功能類(lèi)別，經(jīng)過(guò)預校驗和測試的ip模塊，專(zhuān)門(mén)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到fpga上。ip通常以網(wǎng)表 或rtl資源形式提供，設計者可以根據要求進(jìn)行快速配置，而無(wú)需對ip作任何更改。例如，actel公司的core8051兼容8051指令系統，能讓設計人員借助在現有微控制器架構方面的經(jīng)驗，發(fā)揮現有的大量代碼和工具優(yōu)勢，進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。通常，ip核（如core8051）又具有片上調試功能，能簡(jiǎn)化內核在深度嵌入時(shí)的系統調試，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

當年產(chǎn)量在10萬(wàn)件以?xún)葧r(shí)，fpga是一個(gè)出色的平臺，很好地滿(mǎn)足了工業(yè)設計和嵌入式控制市場(chǎng)的需求?；谖⒖刂破鞯膕oc獲得快速發(fā)展的兩個(gè)主要因素：一是系統需要集成的元器件或外圍組件的數量不斷增多；二是應用軟件和所選器件的專(zhuān)用驅動(dòng)程序的集成問(wèn)題。理論上講，設計者希望以減少工序步驟和元器件數量來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)還需要簡(jiǎn)化應用軟件的集成。目前比較流行的方案是在fpga內集成應用軟件或是軟ip平臺，以簡(jiǎn)化工序、加速產(chǎn)品面市日程。圖1將利用大量ip核組建soc的關(guān)鍵步驟和使用fpga ip平臺的設計步驟進(jìn)行了比較。

platform8051

ip平臺在單一模塊中集成了若干元件，這些元件本身，同ip平臺一樣，也已經(jīng)進(jìn)行了預集成和預校驗。當然，ip預構建模塊面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是用戶(hù)可能并不想集成平臺中所有的元件和特性?；谶@點(diǎn)考慮，在集成元件模塊時(shí)，將元件模塊的關(guān)鍵產(chǎn)品特性設定成可配置選項。 actel公司的core8051實(shí)際上是這種預校驗、可配置平臺的一部分。所謂的platform8051，除了包含8位core8051微控器外，還包括5個(gè)其他ip模塊：core10/100、coresdlc、corei2c、corespi和core16x50。設計者可以對這些ip核進(jìn)行任意配置來(lái)實(shí)現不同的soc設計，節省時(shí)間和成本。

core8051是功能齊全的單周期8位微控器，兼容流行的asm51指令代碼，運行頻率可超過(guò)40 mhz。8051指令代碼被廣泛應用于各電子工業(yè)領(lǐng)域的嵌入式系統中。圖2給出了core8051的特性與結構框圖。core10/100是以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器，能以10 mb/s或100 mb/s的數據率與局域網(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標準執行具有沖突檢測的載波傳感多重訪(fǎng)問(wèn)（csma/cd）算法。

core8051和core10/100一起構成了應用于platform8051開(kāi)發(fā)套件中的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器設計。

platform8051的其他外設核還有:

·coresdlc：高速同步串行數據鏈路控制器。其操作與cpu控制下工作在sdlc模式的intel80c152全局串行信道相類(lèi)似。該內核用作嵌入式應用的一個(gè)定制串行接口。

·corei2c：總線(xiàn)控制器。提供一個(gè)雙線(xiàn)串行接口，支持philips i2c標準的100 kb/s和400 kb/s數據傳輸率。這種菊花鏈式總線(xiàn)標準在很多消費電子產(chǎn)品和嵌入式應用中廣泛應用。

·corespi：串行外設接口?？稍?051和外圍設備間實(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：通用異步收發(fā)器（uart），有時(shí)還提供fifo支持。它與ti公司的16550器件軟件兼容，并在core8051上增加了額外的串行通道
，也可用作串行接口或是調制解調器接口。

在嵌入式控制應用中，platform8051內包括的元件內核都是常用的外設，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。有了這些預校驗單元，設計者可以輕松地對ip核進(jìn)行復用，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。利用platform 8051，設計者可以有更多時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品增值功能軟件和外設的設計，使最終產(chǎn)品更具特色。

開(kāi)發(fā)工具

創(chuàng )建fpga和8051中的應用代碼需要特定的開(kāi)發(fā)工具。actel公司的libero設計環(huán)境允許設計者對完整集成的rtl進(jìn)行仿真和綜合，并在網(wǎng)表級別對設計進(jìn)行仿真和實(shí)時(shí)分析，再使用designer軟件進(jìn)行布局布線(xiàn)。最后，使用flashpro或silicon sculptor編程器對fpga進(jìn)行編程。

在微控器的編程和調試方面，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。作為fs2 on-chip instrumentation (芯片級在線(xiàn)調試儀；oci) 延伸功能的專(zhuān)用“硅鉤”， 集成在core8051 中，使fs2可以提供功能先進(jìn)和強大的調試工具。來(lái)自keil的 vision集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (ide) 具有項目管理、源代碼編輯和程序調試等功能。 vision 調試器強大齊全，允許軟件開(kāi)發(fā)人員在pc上全面地對目標程序進(jìn)行仿真。

除了軟件開(kāi)發(fā)工具外，actel公司還提供platform 8051開(kāi)發(fā)套件，如圖3所示。有了此套件，設計人員便可觀(guān)察actel內核的工作情況，并迅速有效地創(chuàng )建和模擬衍生設計，大幅減少系統校驗時(shí)間。套件中還包含可重復編程的proasicplusfpga、在器件上編程的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器設計、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器代碼范例、連接電纜、fs2system analyze和keil vision評估測試包。此外，還提供可選擇的flashpro lite編程器。

設計優(yōu)勢

具有ip平臺的fpga在使用于高噪聲的工廠(chǎng)環(huán)境和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的標準無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品設計中，發(fā)揮了巨大優(yōu)勢。最初，設計者考慮使用分立assp，但很快就發(fā)現這種方式并不能在獲得正確功能組合的同時(shí)滿(mǎn)足尺寸和功率需求。此時(shí)，設計者開(kāi)始考慮asic方案和fpga方案。從成本方面分析，對于所預計的模塊批量，asic和fpga的成本接近；但是fpga毋需任何nre投資。因此，設計者最終選擇了fpga方案。

當設計人員考慮用什么樣的ip模塊時(shí)，又進(jìn)一步意識到了fpga在成本和上市時(shí)間方面具有更多的優(yōu)勢。由于fpga供應商已經(jīng)具有項目需要的大多數ip，此時(shí)設計者只需要開(kāi)發(fā)少量特別的ip。利用這些預開(kāi)發(fā)和預校驗的ip，可將設計周期最多提前6個(gè)月，使產(chǎn)品快速上市，獲得比預期更大的市場(chǎng)份額，贏(yíng)得更多利潤。

另外，設計者還可以根據一些大客戶(hù)的應用和專(zhuān)門(mén)的需求來(lái)定制ip模塊，通過(guò)對fpga重新編程來(lái)實(shí)現現場(chǎng)產(chǎn)品升級，而無(wú)需更換整個(gè)電路板，既節省了用戶(hù)的總體成本，又增加了產(chǎn)品長(cháng)遠價(jià)值和市場(chǎng)需求。

結語(yǔ)

工業(yè)設計人員所面對的上市時(shí)間壓力從未像現在這樣巨大。不論是設計網(wǎng)絡(luò )接口、馬達控制器、邏輯控制器、通信系統還是設計其他任何應用，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。較之a(chǎn)ssp和asic，fpga在上市時(shí)間、設計靈活性和未來(lái)的產(chǎn)品過(guò)時(shí)等方面都擁有巨大優(yōu)勢。此外，由于很多工業(yè)應用并不是大規模生產(chǎn)，fpga較傳統的asic更加節省成本。產(chǎn)品功能可迅速編程實(shí)現并在產(chǎn)品中測試、對功能規格的變化進(jìn)行重新編程，對工程師自然別具吸引力。以上特性加之近期fpga在性能、尺寸和價(jià)格等方面的提升，令工程師能通過(guò)熟悉的標準快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，以獲得更大利潤。