利用FPGA IP平臺實現(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平臺提供了大大簡化于傳統(tǒng)方法的快速soc設計方案，使設計者能在更短的時間內(nèi)設計出功能更強大的soc

一直以來，從事消費電子、汽車電子等要求快速上市的產(chǎn)品的設計人員，都面臨著設計時間縮短的巨大壓力?，F(xiàn)在，這種對時間要求比較苛刻的項目設計已經(jīng)向其他領域轉(zhuǎn)移，包括嵌入式控制和工業(yè)設計。加速產(chǎn)品的上市時間越來越重要，產(chǎn)品銷售每推遲一周，對生產(chǎn)商就意味著很大的經(jīng)濟損失。舉個例子，如果某產(chǎn)品的平均售價為1 500美元，生產(chǎn)商預計每周銷售量達100件，若因設計緩慢而使產(chǎn)品推遲三個月上市，那么給生產(chǎn)商帶來的損失將超過100萬美元。

勿庸置疑，近年來芯片設計領域談論最多的話題就是系統(tǒng)級芯片（system-on-chip；soc）—因工藝技術和設計方法的突飛猛進而得以實現(xiàn)。但是soc的開發(fā)進程仍然比較緩慢，并且對市場變化非常敏感。而且，soc開發(fā)本身就是一項耗資大、風險高的工程。能夠?qū)oc生產(chǎn)發(fā)展到asic的規(guī)模、負擔巨額的非經(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)實力的公司，也必須仔細考慮取得投資回報的機會。

fpga

現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）作為一個靈活的設計平臺，被設計人員廣泛采用。 特別是在無線通信設計領域，這種趨勢更加明顯。本文介紹了fpga在無線通信設計中的一些應用。在該應用中，最初考慮選用專用標準產(chǎn)品(assp)方案和專用集成電路(asic)方案，但是當考慮到產(chǎn)品上市時間、設計靈活性以及產(chǎn)品未來過時等因素時，設計者最終選擇了fpga方案。

另外，產(chǎn)品的面市時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現(xiàn)更多的邏輯功能。 因此，過去只能用assp或asic實現(xiàn)的嵌入式應用，現(xiàn)在可用fpga來實現(xiàn)。

現(xiàn)今，功能強大的fpga不再局限于引進系統(tǒng)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行變更、修復缺陷，或在用戶需要升級和配合市場發(fā)展時開發(fā)未來的衍生產(chǎn)品。對過去選擇半定制assp的設計人員來說，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間內(nèi)建立，并能很好地適應變化多端的市場需求。

fpga被廣泛應用的另一個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模塊按應用的不同分為很多標準功能類別，經(jīng)過預校驗和測試的ip模塊，專門為可編程邏輯應用而優(yōu)化，使設計人員能夠快速構(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，設計者可以根據(jù)要求進行快速配置，而無需對ip作任何更改。例如，actel公司的core8051兼容8051指令系統(tǒng)，能讓設計人員借助在現(xiàn)有微控制器架構(gòu)方面的經(jīng)驗，發(fā)揮現(xiàn)有的大量代碼和工具優(yōu)勢，進一步縮短開發(fā)周期。通常，ip核（如core8051）又具有片上調(diào)試功能，能簡化內(nèi)核在深度嵌入時的系統(tǒng)調(diào)試，縮短產(chǎn)品上市時間。

當年產(chǎn)量在10萬件以內(nèi)時，fpga是一個出色的平臺，很好地滿足了工業(yè)設計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；二是應用軟件和所選器件的專用驅(qū)動程序的集成問題。理論上講，設計者希望以減少工序步驟和元器件數(shù)量來縮短開發(fā)時間，同時還需要簡化應用軟件的集成。目前比較流行的方案是在fpga內(nèi)集成應用軟件或是軟ip平臺，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的關鍵步驟和使用fpga ip平臺的設計步驟進行了比較。

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)進行了預集成和預校驗。當然，ip預構(gòu)建模塊面臨的一個主要問題是用戶可能并不想集成平臺中所有的元件和特性?；谶@點考慮，在集成元件模塊時，將元件模塊的關鍵產(chǎn)品特性設定成可配置選項。 actel公司的core8051實際上是這種預校驗、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個其他ip模塊：core10/100、coresdlc、corei2c、corespi和core16x50。設計者可以對這些ip核進行任意配置來實現(xiàn)不同的soc設計，節(jié)省時間和成本。

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40 mhz。8051指令代碼被廣泛應用于各電子工業(yè)領域的嵌入式系統(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立接口（mii），并可按照ieee802.3標準執(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)成了應用于platform8051開發(fā)套件中的網(wǎng)絡服務器設計。

platform8051的其他外設核還有:

·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)核用作嵌入式應用的一個定制串行接口。

·corei2c：總線控制器。提供一個雙線串行接口，支持philips i2c標準的100 kb/s和400 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率。這種菊花鏈式總線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和外圍設備間實現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)傳輸。spi是一種用于各種嵌入式應用的點對點總線標準。

·core16x50：通用異步收發(fā)器（uart），有時還提供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。

在嵌入式控制應用中，platform8051內(nèi)包括的元件內(nèi)核都是常用的外設，允許設計人員實現(xiàn)諸如傳感、控制、監(jiān)控和通信等關鍵功能。有了這些預校驗單元，設計者可以輕松地對ip核進行復用，而毋須花費時間將相同的內(nèi)核反復開發(fā)和集成于平臺中。利用platform 8051，設計者可以有更多時間進行產(chǎn)品增值功能軟件和外設的設計，使最終產(chǎn)品更具特色。

開發(fā)工具

創(chuàng)建fpga和8051中的應用代碼需要特定的開發(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進行仿真和綜合，并在網(wǎng)表級別對設計進行仿真和實時分析，再使用designer軟件進行布局布線。最后，使用flashpro或silicon sculptor編程器對fpga進行編程。

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的設計支持應用軟件的在線調(diào)試，使用actel core8051微控制器的特殊功能和集成外設。作為fs2 on-chip instrumentation (芯片級在線調(diào)試儀；oci) 延伸功能的專用“硅鉤”， 集成在core8051 中，使fs2可以提供功能先進和強大的調(diào)試工具。來自keil的 vision集成開發(fā)環(huán)境 (ide) 具有項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等功能。 vision 調(diào)試器強大齊全，允許軟件開發(fā)人員在pc上全面地對目標程序進行仿真。

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，設計人員便可觀察actel內(nèi)核的工作情況，并迅速有效地創(chuàng)建和模擬衍生設計，大幅減少系統(tǒng)校驗時間。套件中還包含可重復編程的proasicplusfpga、在器件上編程的網(wǎng)絡服務器設計、網(wǎng)絡服務器代碼范例、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環(huán)境和自動化生產(chǎn)線中的標準無線網(wǎng)絡產(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(xiàn)這種方式并不能在獲得正確功能組合的同時滿足尺寸和功率需求。此時，設計者開始考慮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，又進一步意識到了fpga在成本和上市時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(shù)ip，此時設計者只需要開發(fā)少量特別的ip。利用這些預開發(fā)和預校驗的ip，可將設計周期最多提前6個月，使產(chǎn)品快速上市，獲得比預期更大的市場份額，贏得更多利潤。

另外，設計者還可以根據(jù)一些大客戶的應用和專門的需求來定制ip模塊，通過對fpga重新編程來實現(xiàn)現(xiàn)場產(chǎn)品升級，而無需更換整個電路板，既節(jié)省了用戶的總體成本，又增加了產(chǎn)品長遠價值和市場需求。

結(jié)語

工業(yè)設計人員所面對的上市時間壓力從未像現(xiàn)在這樣巨大。不論是設計網(wǎng)絡接口、馬達控制器、邏輯控制器、通信系統(tǒng)還是設計其他任何應用，fpga結(jié)合種類繁多的可用ip正成為工業(yè)設計的優(yōu)選方案。較之a(chǎn)ssp和asic，fpga在上市時間、設計靈活性和未來的產(chǎn)品過時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(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現(xiàn)并在產(chǎn)品中測試、對功能規(guī)格的變化進行重新編程，對工程師自然別具吸引力。以上特性加之近期fpga在性能、尺寸和價格等方面的提升，令工程師能通過熟悉的標準快速將產(chǎn)品推向市場，以獲得更大利潤。