以IP平臺形式將8051微控制器引入FPGA

一直以來(lái)，設計人員為迅速發(fā)展的市場(chǎng)如消費電子和汽車(chē)等開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，都面對嚴峻的上市時(shí)間壓力。但是現在，這些嚴格的時(shí)間要求已經(jīng)轉移至其它許多領(lǐng)域，包括嵌入式控制和工業(yè)設計。
　　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 (SoC) ，透過(guò)工藝技術(shù)和設計方法的突飛猛進(jìn)，這種理想得以實(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)展成為批量生產(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。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)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。
　　挺進(jìn)嵌入式市場(chǎng)
　　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以在工業(yè)設計中獲得增值功能的唯一推動(dòng)力。當今的制造工藝能夠實(shí)現新一代的可編程邏輯器件，能提供更多更高速的邏輯和更快的I/O、更低的價(jià)位。因此，FPGA現在已能用于嵌入式應用，而過(guò)去由于性能緣故，只有ASIC或ASSP才能達到相應的要求。
　　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)展去創(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不夠理想的解決方案，而可以通過(guò)比使用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推出的Core8051 IP核與8051指令集相容，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，能簡(jiǎn)化內核在深度嵌入時(shí)的系統調試，協(xié)助設計人員更快地將產(chǎn)品推出市場(chǎng)。
　　IP平臺應運而生
　　當年產(chǎn)量在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。

圖1，基于IP構建SoC與開(kāi)發(fā)FPGA流程比較。

　　IP平臺的設計理念是將多個(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，該平臺名為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。（見(jiàn)附文《Platform8051中的IP核資源》）設計人員可指定這些IP內核的任何配置以實(shí)現與眾不同的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。
　　在嵌入式控制應用中，Platform8051內含的元件內核都是常用的外設，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，使得最終產(chǎn)品更具特色。
　　開(kāi)發(fā)環(huán)境支持
　　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  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 調試器功能強大和全面，允許軟件開(kāi)發(fā)人員在PC上全面地對目標程式進(jìn)行仿真。

圖2，Platform8051平臺架構。