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利用FPGA IP平台 建构基于MCU的SoC

FPGA由于兼具整合功能,加上良好的性能表现,因此成为SoC的新一代平台,能在合理的上市时间和微少的NRE情况下创制新系统...

。且设计人员毋须再限制于采用半定制专用标准产品,能在比ASIC更短的时间内建立以FPGA为基础的解决方案以适应变化多端的市场需求。

上市时间对于嵌入式控制产品的设计构成庞大压力。今天,制程技术和设计方法的突飞猛进使得系统级芯片(System on a Chip, SoC)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,只有极少数公司拥有充足资源,能负担将SoC产品发展成为ASIC(专用集成电路)般生产所需的非经常性工程开支(NRE)。FPGA(场式可编程门阵列)由于价格更为相宜,能在合理的上市时间和微少的NRE情况下创制新系统,因此成为SoC的新一代平台。

建构大量IP内核的SoCMCU

当年产量在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,分别是需要整合的组件或外围数量,以及所选组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序和组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平台设计将多个组件整合在一个专用模块中。这些组件模块及平台已经进行预整合和预校验。当然,IP预构建模块的主要问题是用户可能并不想要整合平台中所有的组件和特性。这个问题的解决方法是不单将组件模块甚至这些组件模块的关键产品特性也设定成可配置。这种预校验、可配置平台的一个例子是Platform8051(图2)嵌入式系统平台。该平台包括一个整合式8位Core8051微控制器,以及5个其它IP单元:Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI、和Core16X50。设计者可指定这些IP内核任何配置以实现与不同的SoC设计,付出时间和开支只占开发ASIC所需的一部分。

功能齐全的单周期8位MCU

Core8051是功能齐全的单周期8位微控制器单元,与流行的ASM51指令代码兼容,并且能在40 MHz以上频率工作。8051指令代码广泛用于各种电子工业领域的嵌入式系统中。图3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100Mbps的数据速率与区域网连接,具有用于实体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。

Platform8051还由4个其它外围内核构成:

.CoreSDLC是高速同步串行数据链路控制器,运作与工作在CPU控制下SDLC模式的Intel80C152全局串行通道相似。该内核被用作嵌入应用的定制串行界面。

.CoreI2C是提供双线串行接口的总线控制器,支持Philips I2C标准的100 kbs和400kbs数据传输。这种菊花链式总线标准获得许多消费电子和嵌入式应用采用。

.CoreSPI是串行外围接口,可在8051和外围设备之间实现同步串行数据传输。SPI是一种用于各种嵌入式应用的点对点总线标准。

.Core16X50是带有或不带FIFO支持的通用异步收发器(UART),与德州仪器的16550器件软件兼容,并且为Core8051增添额外的串行通道。它也可以用作串行或调制解调器接口。

在嵌入式控制应用中,内包的组件内核都是常用的外围,因为它们允许设计人员实现诸如感测、控制、监控和通信等关键功能。通过这些预校验单元,设计人员可以方便地重新利用IP,而毋须花费时间将相同的内核反复开发和整合于平台中。使用Platform8051,设计小组可以将宝贵的设计和校验时间用于开发增值的应用软件和外围,使到最终产品更具特色。

设计人员需要开发工具来创制FPGA和用于8051的应用代码。Libero设计环境可让设计人员模拟和综合完整的集成RTL,然后在网表级别对设计进行模拟和时序分析,再使用Designer软件进行布局布线。最后,使用FlashPRO或Silicon Sculptor编程器对FPGA进行编程。

结合FPGA组件创造SoC超卓表现

在微控制器编程和调试方面,Actel与First SiliconSolutions(FS2)和Keil Software两家公司合作。FS2 System Analyze的设计支持应用软件的在线调试,使用Core8051微控制器的特殊功能和整合外围。

FS2 On-chip Instrumentation(芯片级在线调试仪, OCI)的延伸,即专用的「硅钩」将集成在Core8051 MCU中,让FS2可以提供功能先进和强大的调试工具。

此外,来自Keil的μVision集成开发环境(IDE)将项目管理、源代码编辑和程序调试组合成为功能强大的开发环境。Vision调试器功能强大和全面,允许软件开发人员在PC上全面地对目标程序进行模拟。

除了软件开发工具外,还提供开发套件,使设计人员能够观察内核的工作情况,并迅速和有效地创建和模拟衍生设计。该套件可以大幅减少系统校验时间。除此之外,它还包括一个可重编程ProASICPLUS FPGA、先前提到在器件上编程的网络服务器设计、网络服务器代码范例、所有相应的电缆、FS2 System Analyzer和KeilμVision评估软件包等功能,以及可提供选择的FlashPRO Lite编程器。

Platform8051开发套件的网络服务器应用展示了如何在TCP/IP网络中伺服网页的例子。Core8051将用作Core10/100以太网MAC的CPU控制。

此外,在这块线路板上,除了会使用Off-Chip存储外,也可应用嵌入式的FPGA存储。8051的串连通道会用来连接至线路板的RS232端口,能直接与主机PC通信。这个设计更可轻易进行扩展,利用CoreI2C连接一个或以上传感器,以及利用CoreSPI连接串连储存接口。

适当的解决方案如Platform8051结合FPGA器件,能为SoC应用带来超卓的性能表现、灵活性和成本效益。设计人员可迅速建构以FPGA为基础的解决方案,并能因应不断改变的市场需要而对软、硬件进行调整。

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