利用FPGA IP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于8051微控制器的SoC

產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁的今天，搶占市場先機(jī)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。fpga ip平臺(tái)提供了大大簡化于傳統(tǒng)方法的快速soc設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)者能在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大的soc

一直以來，從事消費(fèi)電子、汽車電子等要求快速上市的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，都面臨著設(shè)計(jì)時(shí)間縮短的巨大壓力?，F(xiàn)在，這種對(duì)時(shí)間要求比較苛刻的項(xiàng)目設(shè)計(jì)已經(jīng)向其他領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，包括嵌入式控制和工業(yè)設(shè)計(jì)。加速產(chǎn)品的上市時(shí)間越來越重要，產(chǎn)品銷售每推遲一周，對(duì)生產(chǎn)商就意味著很大的經(jīng)濟(jì)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(yù)計(jì)每周銷售量達(dá)100件，若因設(shè)計(jì)緩慢而使產(chǎn)品推遲三個(gè)月上市，那么給生產(chǎn)商帶來的損失將超過100萬美元。

勿庸置疑，近年來芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域談?wù)撟疃嗟脑掝}就是系統(tǒng)級(jí)芯片（system-on-chip；soc）—因工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的突飛猛進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)。但是soc的開發(fā)進(jìn)程仍然比較緩慢，并且對(duì)市場變化非常敏感。而且，soc開發(fā)本身就是一項(xiàng)耗資大、風(fēng)險(xiǎn)高的工程。能夠?qū)oc生產(chǎn)發(fā)展到asic的規(guī)模、負(fù)擔(dān)巨額的非經(jīng)常性工程開支（nre）的公司也就寥寥無幾，即便是有這種生產(chǎn)實(shí)力的公司，也必須仔細(xì)考慮取得投資回報(bào)的機(jī)會(huì)。

fpga

現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）作為一個(gè)靈活的設(shè)計(jì)平臺(tái)，被設(shè)計(jì)人員廣泛采用。 特別是在無線通信設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這種趨勢更加明顯。本文介紹了fpga在無線通信設(shè)計(jì)中的一些應(yīng)用。在該應(yīng)用中，最初考慮選用專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(assp)方案和專用集成電路(asic)方案，但是當(dāng)考慮到產(chǎn)品上市時(shí)間、設(shè)計(jì)靈活性以及產(chǎn)品未來過時(shí)等因素時(shí)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者最終選擇可編程邏輯器件的唯一原因。當(dāng)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(xiàn)更多的邏輯功能。 因此，過去只能用assp或asic實(shí)現(xiàn)的嵌入式應(yīng)用，現(xiàn)在可用fpga來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)今，功能強(qiáng)大的fpga不再局限于引進(jìn)系統(tǒng)粘合邏輯，還可作為soc平臺(tái)，使工業(yè)設(shè)計(jì)人員方便地修改以進(jìn)行變更、修復(fù)缺陷，或在用戶需要升級(jí)和配合市場發(fā)展時(shí)開發(fā)未來的衍生產(chǎn)品。對(duì)過去選擇半定制assp的設(shè)計(jì)人員來說，現(xiàn)在的fpga方案可謂趨于完美；和過去的asic方案相比較，基于fpga的定制方案能在短時(shí)間內(nèi)建立，并能很好地適應(yīng)變化多端的市場需求。

fpga被廣泛應(yīng)用的另一個(gè)原因是編程到器件的可用ip模塊的數(shù)量和范圍都在急劇增長。ip模塊按應(yīng)用的不同分為很多標(biāo)準(zhǔn)功能類別，經(jīng)過預(yù)校驗(yàn)和測試的ip模塊，專門為可編程邏輯應(yīng)用而優(yōu)化，使設(shè)計(jì)人員能夠快速構(gòu)建系統(tǒng)并將其編程到fpga上。ip通常以網(wǎng)表 或rtl資源形式提供，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)要求進(jìn)行快速配置，而無需對(duì)ip作任何更改。例如，actel公司的core8051兼容8051指令系統(tǒng)，能讓設(shè)計(jì)人員借助在現(xiàn)有微控制器架構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮現(xiàn)有的大量代碼和工具優(yōu)勢，進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。通常，ip核（如core8051）又具有片上調(diào)試功能，能簡化內(nèi)核在深度嵌入時(shí)的系統(tǒng)調(diào)試，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

當(dāng)年產(chǎn)量在10萬件以內(nèi)時(shí)，fpga是一個(gè)出色的平臺(tái)，很好地滿足了工業(yè)設(shè)計(jì)和嵌入式控制市場的需求。基于微控制器的soc獲得快速發(fā)展的兩個(gè)主要因素：一是系統(tǒng)需要集成的元器件或外圍組件的數(shù)量不斷增多；二是應(yīng)用軟件和所選器件的專用驅(qū)動(dòng)程序的集成問題。理論上講，設(shè)計(jì)者希望以減少工序步驟和元器件數(shù)量來縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還需要簡化應(yīng)用軟件的集成。目前比較流行的方案是在fpga內(nèi)集成應(yīng)用軟件或是軟ip平臺(tái)，以簡化工序、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(tái)的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了比較。

platform8051

ip平臺(tái)在單一模塊中集成了若干元件，這些元件本身，同ip平臺(tái)一樣，也已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)集成和預(yù)校驗(yàn)。當(dāng)然，ip預(yù)構(gòu)建模塊面臨的一個(gè)主要問題是用戶可能并不想集成平臺(tái)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(shè)定成可配置選項(xiàng)。 actel公司的core8051實(shí)際上是這種預(yù)校驗(yàn)、可配置平臺(tái)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(shè)計(jì)者可以對(duì)這些ip核進(jìn)行任意配置來實(shí)現(xiàn)不同的soc設(shè)計(jì)，節(jié)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(yùn)行頻率可超過40 mhz。8051指令代碼被廣泛應(yīng)用于各電子工業(yè)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中。圖2給出了core8051的特性與結(jié)構(gòu)框圖。core10/100是以太網(wǎng)媒體訪問控制器，能以10 mb/s或100 mb/s的數(shù)據(jù)率與局域網(wǎng)連接，具有用于物理連接的媒體獨(dú)立接口（mii），并可按照ieee802.3標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行具有沖突檢測的載波傳感多重訪問（csma/cd）算法。

core8051和core10/100一起構(gòu)成了應(yīng)用于platform8051開發(fā)套件中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)。

platform8051的其他外設(shè)核還有:

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

·corei2c：總線控制器。提供一個(gè)雙線串行接口，支持philips i2c標(biāo)準(zhǔn)的100 kb/s和400 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率。這種菊花鏈?zhǔn)娇偩€標(biāo)準(zhǔn)在很多消費(fèi)電子產(chǎn)品和嵌入式應(yīng)用中廣泛應(yīng)用。

·corespi：串行外設(shè)接口。可在8051和外圍設(shè)備間實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)總線標(biāo)準(zhǔn)。

·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(diào)制解調(diào)器接口。

在嵌入式控制應(yīng)用中，platform8051內(nèi)包括的元件內(nèi)核都是常用的外設(shè)，允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)諸如傳感、控制、監(jiān)控和通信等關(guān)鍵功能。有了這些預(yù)校驗(yàn)單元，設(shè)計(jì)者可以輕松地對(duì)ip核進(jìn)行復(fù)用，而毋須花費(fèi)時(shí)間將相同的內(nèi)核反復(fù)開發(fā)和集成于平臺(tái)中。利用platform 8051，設(shè)計(jì)者可以有更多時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品增值功能軟件和外設(shè)的設(shè)計(jì)，使最終產(chǎn)品更具特色。

開發(fā)工具

創(chuàng)建fpga和8051中的應(yīng)用代碼需要特定的開發(fā)工具。actel公司的libero設(shè)計(jì)環(huán)境允許設(shè)計(jì)者對(duì)完整集成的rtl進(jìn)行仿真和綜合，并在網(wǎng)表級(jí)別對(duì)設(shè)計(jì)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。最后，使用flashpro或silicon sculptor編程器對(duì)fpga進(jìn)行編程。

在微控器的編程和調(diào)試方面，actel與first silicon solutions (fs2) 和keil software兩家公司合作。fs2 system analyzer的設(shè)計(jì)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)。作為fs2 on-chip instrumentation (芯片級(jí)在線調(diào)試儀；oci) 延伸功能的專用“硅鉤”， 集成在core8051 中，使fs2可以提供功能先進(jìn)和強(qiáng)大的調(diào)試工具。來自keil的 vision集成開發(fā)環(huán)境 (ide) 具有項(xiàng)目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等功能。 vision 調(diào)試器強(qiáng)大齊全，允許軟件開發(fā)人員在pc上全面地對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行仿真。

除了軟件開發(fā)工具外，actel公司還提供platform 8051開發(fā)套件，如圖3所示。有了此套件，設(shè)計(jì)人員便可觀察actel內(nèi)核的工作情況，并迅速有效地創(chuàng)建和模擬衍生設(shè)計(jì)，大幅減少系統(tǒng)校驗(yàn)時(shí)間。套件中還包含可重復(fù)編程的proasicplusfpga、在器件上編程的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器代碼范例、連接電纜、fs2system analyze和keil vision評(píng)估測試包。此外，還提供可選擇的flashpro lite編程器。

設(shè)計(jì)優(yōu)勢

具有ip平臺(tái)的fpga在使用于高噪聲的工廠環(huán)境和自動(dòng)化生產(chǎn)線中的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，發(fā)揮了巨大優(yōu)勢。最初，設(shè)計(jì)者考慮使用分立assp，但很快就發(fā)現(xiàn)這種方式并不能在獲得正確功能組合的同時(shí)滿足尺寸和功率需求。此時(shí)，設(shè)計(jì)者開始考慮asic方案和fpga方案。從成本方面分析，對(duì)于所預(yù)計(jì)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(shè)計(jì)者最終選擇了fpga方案。

當(dāng)設(shè)計(jì)人員考慮用什么樣的ip模塊時(shí)，又進(jìn)一步意識(shí)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(yīng)商已經(jīng)具有項(xiàng)目需要的大多數(shù)ip，此時(shí)設(shè)計(jì)者只需要開發(fā)少量特別的ip。利用這些預(yù)開發(fā)和預(yù)校驗(yàn)的ip，可將設(shè)計(jì)周期最多提前6個(gè)月，使產(chǎn)品快速上市，獲得比預(yù)期更大的市場份額，贏得更多利潤。

另外，設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)一些大客戶的應(yīng)用和專門的需求來定制ip模塊，通過對(duì)fpga重新編程來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場產(chǎn)品升級(jí)，而無需更換整個(gè)電路板，既節(jié)省了用戶的總體成本，又增加了產(chǎn)品長遠(yuǎn)價(jià)值和市場需求。

結(jié)語

工業(yè)設(shè)計(jì)人員所面對(duì)的上市時(shí)間壓力從未像現(xiàn)在這樣巨大。不論是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接口、馬達(dá)控制器、邏輯控制器、通信系統(tǒng)還是設(shè)計(jì)其他任何應(yīng)用，fpga結(jié)合種類繁多的可用ip正成為工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。較之a(chǎn)ssp和asic，fpga在上市時(shí)間、設(shè)計(jì)靈活性和未來的產(chǎn)品過時(shí)等方面都擁有巨大優(yōu)勢。此外，由于很多工業(yè)應(yīng)用并不是大規(guī)模生產(chǎn)，fpga較傳統(tǒng)的asic更加節(jié)省成本。產(chǎn)品功能可迅速編程實(shí)現(xiàn)并在產(chǎn)品中測試、對(duì)功能規(guī)格的變化進(jìn)行重新編程，對(duì)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，令工程師能通過熟悉的標(biāo)準(zhǔn)快速將產(chǎn)品推向市場，以獲得更大利潤。