以IP平臺形式將8051微控制器引入FPGA

一直以來，設(shè)計(jì)人員為迅速發(fā)展的市場如消費(fèi)電子和汽車等開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，都面對嚴(yán)峻的上市時(shí)間壓力。但是現(xiàn)在，這些嚴(yán)格的時(shí)間要求已經(jīng)轉(zhuǎn)移至其它許多領(lǐng)域，包括嵌入式控制和工業(yè)設(shè)計(jì)。
　　毋庸置疑，近年來談?wù)撟疃嗟男酒O(shè)計(jì)趨勢是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級芯片 (SoC) ，透過工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的突飛猛進(jìn)，這種理想得以實(shí)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(xiàng)成本高昂的高風(fēng)險(xiǎn)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)展成為批量生產(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(bào)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(jià)為1,500美元，而其制造商預(yù)計(jì)銷量將推高至每周100件，那么，設(shè)計(jì)推遲三個(gè)月便會帶來超過100萬美元的損失。
　　因此，設(shè)計(jì)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(jì)平臺。這一趨勢在工業(yè)無線通信設(shè)計(jì)方面更加明顯。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(shí)間、實(shí)施靈活性及未來過時(shí)等問題時(shí)，設(shè)計(jì)小組決定轉(zhuǎn)向FPGA來進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。
　　挺進(jìn)嵌入式市場
　　正如我們所料，上市時(shí)間壓力并不是導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件以在工業(yè)設(shè)計(jì)中獲得增值功能的唯一推動力。當(dāng)今的制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)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，F(xiàn)PGA現(xiàn)在已能用于嵌入式應(yīng)用，而過去由于性能緣故，只有ASIC或ASSP才能達(dá)到相應(yīng)的要求。
　　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(jì)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)展去創(chuàng)制未來的衍生產(chǎn)品。那些先前選擇半定制ASSP的設(shè)計(jì)人員，現(xiàn)已不需要再接受應(yīng)用中不夠理想的解決方案，而可以通過比使用ASIC更快的速度構(gòu)建以定制FPGA為基礎(chǔ)的方案，同時(shí)能適應(yīng)變化多端的市場需求。
　　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(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(yàn)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(jì)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(jì)人員無需更改便可快速使用，或者按照設(shè)計(jì)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(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，能簡化內(nèi)核在深度嵌入時(shí)的系統(tǒng)調(diào)試，協(xié)助設(shè)計(jì)人員更快地將產(chǎn)品推出市場。
　　IP平臺應(yīng)運(yùn)而生
　　當(dāng)年產(chǎn)量在10萬件以內(nèi)時(shí)，F(xiàn)PGA可以是一個(gè)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(gè)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(jì)人員當(dāng)然希望以減少工序和元件數(shù)來縮短開發(fā)時(shí)間。此外，他們也會簡化應(yīng)用軟件的集成。在FPGA內(nèi)使用可綜合或“軟”IP平臺是簡化設(shè)計(jì)過程和縮短上市時(shí)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(jì)所需的步驟。

圖1，基于IP構(gòu)建SoC與開發(fā)FPGA流程比較。

　　IP平臺的設(shè)計(jì)理念是將多個(gè)元件集成在一個(gè)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(yàn)。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中所有的元件和特性。這個(gè)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(shí)上，Actel的Core8051 是這種預(yù)校驗(yàn)、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。（見附文《Platform8051中的IP核資源》）設(shè)計(jì)人員可指定這些IP內(nèi)核的任何配置以實(shí)現(xiàn)與眾不同的SoC設(shè)計(jì)，而付出的時(shí)間和開支只占開發(fā)ASIC所需的一部分。
　　在嵌入式控制應(yīng)用中，Platform8051內(nèi)含的元件內(nèi)核都是常用的外設(shè)，因?yàn)樗鼈冊试S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。通過這些預(yù)校驗(yàn)單元，設(shè)計(jì)人員可以方便地重新利用IP，而毋須花費(fèi)時(shí)間將相同的內(nèi)核反復(fù)開發(fā)和集成于平臺中。使用Platform8051，設(shè)計(jì)小組可以將寶貴的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)時(shí)間用于開發(fā)增值的應(yīng)用軟件和外設(shè)，使得最終產(chǎn)品更具特色。
　　開發(fā)環(huán)境支持
　　設(shè)計(jì)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(jì)環(huán)境可讓設(shè)計(jì)人員仿真和綜合完整的集成RTL，然后在網(wǎng)表級別對設(shè)計(jì)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。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  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)。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集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 將項(xiàng)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)試器功能強(qiáng)大和全面，允許軟件開發(fā)人員在PC上全面地對目標(biāo)程式進(jìn)行仿真。

圖2，Platform8051平臺架構(gòu)。