利用FPGA IP平台引进微控制器系统级芯片

一直以来，设计人员为迅速发展的市场如消费电子和汽车等开发产品时，都面对严峻的上市时间压力。但是现在，这些严格的时间要求已经转移至其它许多领域，包括嵌入式控制和工业设计。

毋庸置疑，近年来谈论最多的芯片设计趋势是转向系统级芯片 (System-on-a-chip; SoC) -- 透过工艺技术和设计方法的突飞猛进而得以实现。但是SoC的发展进程仍然缓慢，并且对市场的变化非常敏感。此外，开发SoC本质上是一项成本高昂的高风险事业。极少公司拥有充足资源，能负担将SoC产品发展成为ASIC般生产所需的非经常性工程开支 (NRE)，即使公司拥有足够资源也必须仔细考虑取得投资回报的机会。

在业内，迅速将产品推出市场的意愿非常重要。产品销售每推迟一周都会对营业额造成损失：举例说，如果产品的平均售价为1,500美元，而其制造商预计销量将推高至每周100件，那么，设计推迟三个月便会带来超过100万美元的损失。

因此，设计人员期望将现场可编程门阵列 (FPGA) 作为灵活的工业设计平台。这一趋势在工业无线通信设计方面更加明显，而本文稍后将加以叙述。在这种应用中，最初考虑的是采用专用标准产品 (ASSP)，然后是专用集成电路(ASIC)。但是当考虑到上市时间、实施灵活性及未来废弃过时等问题时，设计小组决定转向FPGA来进行项目实施。

正如我们所料，上市时间压力并不是导致设计人员转向可编程逻辑器件在工业设计中获得增值功能的唯一推动力。当今的工艺几何学能够实现新一代的可编程逻辑器件，能以更高的速度提供更多更高速的逻辑，和更快的而且I/O更快、更低的价位更低。因此，FPGA现能用于嵌入式应用，而过去由于性能缘故，只有ASIC或ASSP才能达到这些要求。

现今的高功能FPGA不再局限于引进系统粘合逻辑，还可作为SoC平台，让工业设计人员轻易地修改以进行变更、修复缺陷，或在用户需要升级和配合市场发展时创制未来的衍生产品。那些先前选择半定制ASSP的设计人员，现已不需要再接受应用中未够理想的解决方案；而可以通过较使用ASIC更快的速度构建以定制FPGA为基础的方案，同时能适应变化多端的市场需求。

FPGA使用量增加的另一个原因是可编程到器件可编程加入的IP模块数量和范围大大增加，包括各种标准功能如广泛用于工业应用的8051微控制器。这类预校验和测试的IP模块专为可编程逻辑应用而优化，使设计人员能够快速构建系统并将其编程入FPGA。IP内核通常以网表或RTL资源形式提供，所以，设计人员无需更改便可快速使用，或者按照设计要求进行配置。

例如，Actel的Core8051与8051指令集相容，能让设计人员借助对现有微控制器架构方面的经验，发挥器件中具现有的大量代码和工具的优势，进一步缩短开发周期。通常，这类内核都具有额外特性：如Core8051拥有片上调试能力，能于简化内核在深度嵌入时简化的系统调试，协助设计人员更快地将产品推出市场。

当年产量高达在10万件以内时，FPGA可以是一个出色的平台，能满足许多工业和嵌入式控制市场区间的需要。以微控制器为基础的SoC的发展有两个主要因素，分别是需要集成的元件或外设数量，以及所选元件的应用软件和专用驱动程序的集成。在理想情况下，设计人员当然希望以减少工艺步骤序和元件数来缩短开发时间。此外，他们也会简化应用软件的集成。在FPGA内使用FPGA内的可综合或“软”IP平台是简化设计过程和缩短上市时间的现代化解决方案。在流程图 (图1) 中，我们比较了使用大量IP内核构建微控制器SoC的关键步骤和使用IP平台开发FPGA设计所需的步骤。

IP平台设计将多个元件集成在一个专用模块中。这些元件模块及平台已经进行预集成和预校验。当然，IP预构建模块的主要问题是用户可能并不想要集成平台各部分中所有的元件和特性。这个问题的解决方法是不单将元件模块甚至这些元件模块的关键产品特性也设定成可配置。

事实上，Actel的Core8051 是这种预校验、可配置平台的一部分，名为Platform8051。除了8位Core8051微控制器外，它还包括五个其它IP单元：
Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI、和Core16X50。设计人员可指定这些IP内核的任何配置以实现与别不同的SoC设计，而付出的时间和开支只占开发ASIC所需的一部分。

Core8051是功能齐全的单周期8位微控制器单元，与流行的ASM51指令代码相容，并且能在40 MHz以上频率工作。8051指令代码广泛用于各电子工业领域的嵌入式系统中。图2所示为这种内核特性的说明框图。Core10/100是以太网媒体访问控制器，以10或 100 Mb/s的数据速率与局域网连接，具有用于物理连接的媒体独立接口 (MII)，并可按照IEEE802.3标准执行带冲突检测的载波传感多重访问 (CSMA/CD) 算法。这两个内核组成了Platform8051开发套件中使用的网络服务器设计。