FPGA

现场可编程门阵列（FPGA）作为一个灵活的设计平台，被设计人员广泛采用。 特别是在无线通信设计领域，这种趋势更加明显。本文介绍了FPGA在无线通信设计中的一些应用。在该应用中，最初考虑选用专用标准产品(ASSP)方案和专用集成电路(ASIC)方案，但是当考虑到产品上市时间、设计灵活性以及产品未来过时等因素时，设计者最终选择了FPGA方案。

另外，产品的面市时间压力并不是促使设计者最终选择可编程逻辑器件的唯一原因。当今的工艺几何学令新一代可编程逻辑器件能以更高的速度、更大的I/O吞吐量和更低的成本实现更多的逻辑功能。 因此，过去只能用ASSP或ASIC实现的嵌入式应用，现在可用FPGA来实现。

现今，功能强大的FPGA不再局限于引进系统粘合逻辑，还可作为SoC平台，使工业设计人员方便地修改以进行变更、修复缺陷，或在用户需要升级和配合市场发展时开发未来的衍生产品。对过去选择半定制ASSP的设计人员来说，现在的FPGA方案可谓趋于完美；和过去的ASIC方案相比较，基于FPGA的定制方案能在短时间内建立，并能很好地适应变化多端的市场需求。

FPGA被广泛应用的另一个原因是编程到器件的可用IP模块的数量和范围都在急剧增长。IP模块按应用的不同分为很多标准功能类别，经过预校验和测试的IP模块，专门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到FPGA上。IP通常以网表 或RTL资源形式提供，设计者可以根据要求进行快速配置，而无需对IP作任何更改。例如，Actel公司的Core8051兼容8051指令系统，能让设计人员借助在现有微控制器架构方面的经验，发挥现有的大量代码和工具优势，进一步缩短开发周期。通常，IP核（如Core8051）又具有片上调试功能，能简化内核在深度嵌入时的系统调试，缩短产品上市时间。

当年产量在10万件以内时，FPGA是一个出色的平台，很好地满足了工业设计和嵌入式控制市场的需求。基于微控制器的SoC获得快速发展的两个主要因素：一是系统需要集成的元器件或外围组件的数量不断增多；二是应用软件和所选器件的专用驱动程序的集成问题。理论上讲，设计者希望以减少工序步骤和元器件数量来缩短开发时间，同时还需要简化应用软件的集成。目前比较流行的方案是在FPGA内集成应用软件或是软IP平台，以简化工序、加速产品面市日程。图1将利用大量IP核组建SoC的关键步骤和使用FPGA IP平台的设计步骤进行了比较。

Platform8051

IP平台在单一模块中集成了若干元件，这些元件本身，同IP平台一样，也已经进行了预集成和预校验。当然，IP预构建模块面临的一个主要问题是用户可能并不想集成平台中所有的元件和特性。基于这点考虑，在集成元件模块时，将元件模块的关键产品特性设定成可配置选项。

Actel公司的Core8051实际上是这种预校验、可配置平台的一部分。所谓的Platform8051，除了包含8位Core8051微控器外，还包括5个其他IP模块：Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI和Core16X50。设计者可以对这些IP核进行任意配置来实现不同的SoC设计，节省时间和成本。

图1 利用IP模块FPGA IP平台开发SoC的流程比较(略)

Core8051是功能齐全的单周期8位微控器，兼容流行的ASM51指令代码，运行频率可超过40 MHz。8051指令代码被广泛应用于各电子工业领域的嵌入式系统中。图2给出了Core8051的特性与结构框图。Core10/100是以太网媒体访问控制器，能以10 Mb/s或100 Mb/s的数据率与局域网连接，具有用于物理连接的媒体独立接口（MII），并可按照IEEE802.3标准执行具有冲突检测的载波传感多重访问（CSMA/CD）算法。

Core8051和Core10/100一起构成了应用于Platform8051开发套件中的网络服务器设计。

Platform8051的其他外设核还有:

·CoreSDLC：高速同步串行数据链路控制器。其操作与CPU控制下工作在SDLC模式的Intel80C152全局串行信道相类似。该内核用作嵌入式应用的一个定制串行接口。

·CoreI2C：总线控制器。提供一个双线串行接口，支持Philips I2C标准的100 kb/s和400 kb/s数据传输率。这种菊花链式总线标准在很多消费电子产品和嵌入式应用中广泛应用。

·CoreSPI：串行外设接口。可在8051和外围设备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：通用异步收发器（UART），有时还提供FIFO支持。它与TI公司的16550器件软件兼容，并在Core8051上增加了额外的串行通道
，也可用作串行接口或是调制解调器接口。

图2 Core8051结构框图(略)

在嵌入式控制应用中，Platform8051内包括的元件内核都是常用的外设，允许设计人员实现诸如传感、控制、监控和通信等关键功能。有了这些预校验单元，设计者可以轻松地对IP核进行复用，而毋须花费时间将相同的内核反复开发和集成于平台中。利用Platform 8051，设计者可以有更多时间进行产品增值功能软件和外设的设计，使最终产品更具特色。

开发工具

创建FPGA和8051中的应用代码需要特定的开发工具。Actel公司的Libero设计环境允许设计者对完整集成的RTL进行仿真和综合，并在网表级别对设计进行仿真和实时分析，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。

在微控器的编程和调试方面，Actel与First Silicon Solutions (FS2) 和Keil Software两家公司合作。FS2 System Analyzer的设计支持应用软件的在线调试，使用Actel Core8051微控制器的特殊功能和集成外设。作为FS2 On-Chip Instrumentation (芯片级在线调试仪；OCI) 延伸功能的专用“硅钩”， 集成在Core8051 中，使FS2可以提供功能先进和强大的调试工具。来自Keil的 Vision集成开发环境 (IDE) 具有项目管理、源代码编辑和程序调试等功能。 Vision 调试器强大齐全，允许软件开发人员在PC上全面地对目标程序进行仿真。

除了软件开发工具外，Actel公司还提供Platform 8051开发套件，如图3所示。有了此套件，设计人员便可观察Actel内核的工作情况，并迅速有效地创建和模拟衍生设计，大幅减少系统校验时间。套件中还包含可重复编程的ProASICPLUSFPGA、在器件上编程的网络服务器设计、网络服务器代码范例、连接电缆、FS2System Analyze和Keil Vision评估测试包。此外，还提供可选择的FlashPRO Lite编程器。

设计优势

具有IP平台的FPGA在使用于高噪声的工厂环境和自动化生产线中的标准无线网络产品设计中，发挥了巨大优势。最初，设计者考虑使用分立ASSP，但很快就发现这种方式并不能在获得正确功能组合的同时满足尺寸和功率需求。此时，设计者开始考虑ASIC方案和FPGA方案。从成本方面分析，对于所预计的模块批量，ASIC和FPGA的成本接近；但是FPGA毋需任何NRE投资。因此，设计者最终选择了FPGA方案。

当设计人员考虑用什么样的IP模块时，又进一步意识到了FPGA在成本和上市时间方面具有更多的优势。由于FPGA供应商已经具有项目需要的大多数IP，此时设计者只需要开发少量特别的IP。利用这些预开发和预校验的IP，可将设计周期最多提前6个月，使产品快速上市，获得比预期更大的市场份额，赢得更多利润。

另外，设计者还可以根据一些大客户的应用和专门的需求来定制IP模块，通过对FPGA重新编程来实现现场产品升级，而无需更换整个电路板，既节省了用户的总体成本，又增加了产品长远价值和市场需求。

图3 Platform开发套件(略)

结语

工业设计人员所面对的上市时间压力从未像现在这样巨大。不论是设计网络接口、马达控制器、逻辑控制器、通信系统还是设计其他任何应用，FPGA结合种类繁多的可用IP正成为工业设计的优选方案。较之ASSP和ASIC，FPGA在上市时间、设计灵活性和未来的产品过时等方面都拥有巨大优势。此外，由于很多工业应用并不是大规模生产，FPGA较传统的ASIC更加节省成本。产品功能可迅速编程实现并在产品中测试、对功能规格的变化进行重新编程，对工程师自然别具吸引力。以上特性加之近期FPGA在性能、尺寸和价格等方面的提升，令工程师能通过熟悉的标准快速将产品推向市场，以获得更大利润。