利用FPGA IP平臺引進(jìn)微控制器系統(tǒng)級芯片
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毋庸置疑，近年來談?wù)撟疃嗟男酒O(shè)計趨勢是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級芯片 (System-on-a-chip; SoC) -- 透過工藝技術(shù)和設(shè)計方法的突飛猛進(jìn)而得以實現(xiàn)。但是SoC的發(fā)展進(jìn)程仍然緩慢，并且對市場的變化非常敏感。此外，開發(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(fù)擔(dān)將SoC產(chǎn)品發(fā)展成為ASIC般生產(chǎn)所需的非經(jīng)常性工程開支 (NRE)，即使公司擁有足夠資源也必須仔細(xì)考慮取得投資回報的機(jī)會。
在業(yè)內(nèi)，迅速將產(chǎn)品推出市場的意愿非常重要。產(chǎn)品銷售每推遲一周都會對營業(yè)額造成損失：舉例說，如果產(chǎn)品的平均售價為1,500美元，而其制造商預(yù)計銷量將推高至每周100件，那么，設(shè)計推遲三個月便會帶來超過100萬美元的損失。
因此，設(shè)計人員期望將現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 作為靈活的工業(yè)設(shè)計平臺。這一趨勢在工業(yè)無線通信設(shè)計方面更加明顯，而本文稍后將加以敘述。在這種應(yīng)用中，最初考慮的是采用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP)，然后是專用集成電路(ASIC)。但是當(dāng)考慮到上市時間、實施靈活性及未來廢棄過時等問題時，設(shè)計小組決定轉(zhuǎn)向FPGA來進(jìn)行項目實施。
正如我們所料，上市時間壓力并不是導(dǎo)致設(shè)計人員轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件在工業(yè)設(shè)計中獲得增值功能的唯一推動力。當(dāng)今的工藝幾何學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)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、更低的價位更低。因此，FPGA現(xiàn)能用于嵌入式應(yīng)用，而過去由于性能緣故，只有ASIC或ASSP才能達(dá)到這些要求。
現(xiàn)今的高功能FPGA不再局限于引進(jìn)系統(tǒng)粘合邏輯，還可作為SoC平臺，讓工業(yè)設(shè)計人員輕易地修改以進(jìn)行變更、修復(fù)缺陷，或在用戶需要升級和配合市場發(fā)展時創(chuàng)制未來的衍生產(chǎn)品。那些先前選擇半定制ASSP的設(shè)計人員，現(xiàn)已不需要再接受應(yīng)用中未夠理想的解決方案；而可以通過較使用ASIC更快的速度構(gòu)建以定制FPGA為基礎(chǔ)的方案，同時能適應(yīng)變化多端的市場需求。
FPGA使用量增加的另一個原因是可編程到器件可編程加入的IP模塊數(shù)量和范圍大大增加，包括各種標(biāo)準(zhǔn)功能如廣泛用于工業(yè)應(yīng)用的8051微控制器。這類預(yù)校驗和測試的IP模塊專為可編程邏輯應(yīng)用而優(yōu)化，使設(shè)計人員能夠快速構(gòu)建系統(tǒng)并將其編程入FPGA。IP內(nèi)核通常以網(wǎng)表或RTL資源形式提供，所以，設(shè)計人員無需更改便可快速使用，或者按照設(shè)計要求進(jìn)行配置。
例如，Actel的Core8051與8051指令集相容，能讓設(shè)計人員借助對現(xiàn)有微控制器架構(gòu)方面的經(jīng)驗，發(fā)揮器件中具現(xiàn)有的大量代碼和工具的優(yōu)勢，進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。通常，這類內(nèi)核都具有額外特性：如Core8051擁有片上調(diào)試能力，能于簡化內(nèi)核在深度嵌入時簡化的系統(tǒng)調(diào)試，協(xié)助設(shè)計人員更快地將產(chǎn)品推出市場。
當(dāng)年產(chǎn)量高達(dá)在10萬件以內(nèi)時，F(xiàn)PGA可以是一個出色的平臺，能滿足許多工業(yè)和嵌入式控制市場區(qū)間的需要。以微控制器為基礎(chǔ)的SoC的發(fā)展有兩個主要因素，分別是需要集成的元件或外設(shè)數(shù)量，以及所選元件的應(yīng)用軟件和專用驅(qū)動程序的集成。在理想情況下，設(shè)計人員當(dāng)然希望以減少工藝步驟序和元件數(shù)來縮短開發(fā)時間。此外，他們也會簡化應(yīng)用軟件的集成。在FPGA內(nèi)使用FPGA內(nèi)的可綜合或“軟”IP平臺是簡化設(shè)計過程和縮短上市時間的現(xiàn)代化解決方案。在流程圖 (圖1) 中，我們比較了使用大量IP內(nèi)核構(gòu)建微控制器SoC的關(guān)鍵步驟和使用IP平臺開發(fā)FPGA設(shè)計所需的步驟。
IP平臺設(shè)計將多個元件集成在一個專用模塊中。這些元件模塊及平臺已經(jīng)進(jìn)行預(yù)集成和預(yù)校驗。當(dāng)然，IP預(yù)構(gòu)建模塊的主要問題是用戶可能并不想要集成平臺各部分中所有的元件和特性。這個問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(shè)定成可配置。
事實上，Actel的Core8051 是這種預(yù)校驗、可配置平臺的一部分，名為Platform8051。除了8位Core8051微控制器外，它還包括五個其它IP單元：Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI、和Core16X50。設(shè)計人員可指定這些IP內(nèi)核的任何配置以實現(xiàn)與別不同的SoC設(shè)計，而付出的時間和開支只占開發(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(tǒng)中。圖2所示為這種內(nèi)核特性的說明框圖。Core10/100是以太網(wǎng)媒體訪問控制器，以10或 100 Mb/s的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行帶沖突檢測的載波傳感多重訪問 (CSMA/CD) 算法。這兩個內(nèi)核組成了Platform8051開發(fā)套件中使用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計。
Platform8051還由四個其它外設(shè)內(nèi)核構(gòu)成：
• CoreSDLC是高速同步串行數(shù)據(jù)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(nèi)核被用作嵌入應(yīng)用的定制串行接口。
• CoreI2C是提供雙線串行接口的總線控制器，支持Philips I2C標(biāo)準(zhǔn)的100 kb/s和400 kb/s數(shù)據(jù)傳輸。這種菊花鏈?zhǔn)娇偩€標(biāo)準(zhǔn)獲許多消費電子和嵌入式應(yīng)用采用。
• CoreSPI是串行外設(shè)接口，可在8051和外圍設(shè)備之間實現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)傳輸。SPI是一種用于各種嵌入式應(yīng)用的點對點總線標(biāo)準(zhǔn)。
• 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(diào)制解調(diào)器接口。
在嵌入式控制應(yīng)用中，Platform8051內(nèi)包的元件內(nèi)核都是經(jīng)常用的外設(shè)，因為它們允許設(shè)計人員實現(xiàn)諸如傳感、控制、監(jiān)控和通信等關(guān)鍵功能。通過這些預(yù)校驗單元，設(shè)計人員可以方便地重新利用IP，而毋須花費時間將相同的內(nèi)核反復(fù)開發(fā)和集成于平臺中。使用Platform8051，設(shè)計小組可以將寶貴的設(shè)計和校驗時間用于開發(fā)增值的應(yīng)用軟件和外設(shè)，使到最終產(chǎn)品更具特色。
設(shè)計人員需要開發(fā)工具來創(chuàng)制FPGA和用于8051的應(yīng)用代碼。Actel的Libero設(shè)計環(huán)境可讓設(shè)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(shè)計進(jìn)行模擬仿真和時序分析，再使用Actel的Designer軟件進(jìn)行布局布線。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(diào)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(shè)計支持應(yīng)用軟件的在線調(diào)試，使用Actel Core8051微控制器的特殊功能和集成外設(shè)。FS2 On-Chip Instrumentation (芯片級在線調(diào)試儀；OCI™) 的延伸 – 即專用的“硅鉤” – 將集成在Core8051 MCU中，讓FS2可以提供功能先進(jìn)和強(qiáng)大的調(diào)試工具。來自Keil的 μVision (www.keil.com/uvision2/) 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試組合成為功能強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境。µVision 調(diào)試器是功能強(qiáng)力大的全功能器件和全面，允許軟件開發(fā)人員在PC上完整全面地模擬對目標(biāo)程式進(jìn)行仿真。
除了軟件開發(fā)工具外，Actel還提供Platform8051開發(fā)套件(www.actel.com/products/tools/demoboards/platform8051.html )，如圖3所示，使設(shè)計人員能夠觀察Actel內(nèi)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(shè)計。該套件可以大幅減少系統(tǒng)校驗時間。它還包括一個可重編程ProASICPLUS FPGA、先前提到在器件上編程的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器示范代碼范例、所有相應(yīng)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。
換句話說，設(shè)計人員只可在ASIC和FPGA之間選擇。項目成本分析研究顯示，對于所預(yù)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(shè)計小組決定采用FPGA方案。
當(dāng)設(shè)計小組考慮項目所需的IP時，更加認(rèn)識到FPGA在成本和上市時間方面具有更大優(yōu)勢。 由于FPGA供應(yīng)商已經(jīng)擁有項目所需的大多數(shù)IP，因此設(shè)計小組只需開發(fā)少量特別的IP。使用預(yù)開發(fā)和校驗IP能縮短設(shè)計周期長達(dá)六個月，讓設(shè)計小組可以更快的速度和更短的時間將產(chǎn)品推向市場。而更短的上市時間可帶來實在的財務(wù)成果。因為產(chǎn)品占據(jù)的市場份額大于預(yù)期，所以推動明顯地增加了銷售和利潤的顯著增加。
與此同時，設(shè)計小組可以根據(jù)較大型用戶的應(yīng)用和特定需求定制模塊，并且在毋須替換整個線路板的情況下進(jìn)行現(xiàn)場產(chǎn)品升級，其中只需要對FPGA進(jìn)行重新編程。此舉能降低用戶的整體擁有成本、增加產(chǎn)品的認(rèn)知價值，并擴(kuò)大市場需求。
工業(yè)設(shè)計人員所面對的上市時間壓力從未如此巨大。不論是設(shè)計網(wǎng)絡(luò)接口、電機(jī)控制器、邏輯控制器、通信系統(tǒng)、或任何數(shù)以百計的工業(yè)應(yīng)用，F(xiàn)PGA結(jié)合種類繁多的可用IP正成為工業(yè)設(shè)計的優(yōu)選方案。就上市時間、執(zhí)行的靈活性及未來的產(chǎn)品廢棄過時等因素而言，F(xiàn)PGA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(yīng)用從未達(dá)到大批量，F(xiàn)PGA常較傳統(tǒng)的ASIC方案提供更多的成本節(jié)省。設(shè)計人員能夠迅速編程把功能編程并在應(yīng)用產(chǎn)品中測試產(chǎn)品，然后對功能規(guī)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(jié)合目前在性能、尺寸和價格方面的進(jìn)步，可讓工業(yè)設(shè)計人員透過所熟悉的標(biāo)準(zhǔn)迅速將產(chǎn)品推向市場，并使產(chǎn)品留存在市場的留存時間和獲得的銷售收入提升至最高。
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