采用軟處理器IP規(guī)避器件過(guò)時(shí)的挑戰(zhàn)

賽靈思為分立的μP/μC和基于ASIC的器件提供替代解決方案

作者：Raj Kulkarni

嵌入式市場(chǎng)顧問(wèn)

賽靈思公司

E-mail: raj.kulkarni@xilinx.com

在向一個(gè)嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出幾年的財(cái)力和物力投資之后，你最不愿意聽(tīng)到的消息就是你所采用的器件已經(jīng)“生命終止”。在分立的嵌入式處理中，陳舊過(guò)時(shí)意味著你必須為你的下一個(gè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向采用另外一種處理器，并且完全可能要重新設(shè)計(jì)你想在市場(chǎng)中保持的現(xiàn)有產(chǎn)品。即使是半導(dǎo)體行業(yè)中的巨頭，也并不是總能夠?yàn)樗蓄愋偷膽?yīng)用找到利用個(gè)別分立解決方案的途徑。許多最終產(chǎn)品無(wú)法證明采用特定的分立器件是恰當(dāng)?shù)?，因此，隨著時(shí)間的推移，甚至長(zhǎng)期供應(yīng)商也會(huì)在不合適的時(shí)間停止為他們的客戶提供器件支持。

英特爾公司最近宣布他們將退出嵌入式市場(chǎng)。在1970年代，英特爾通過(guò)引入8048 μC創(chuàng)造了嵌入式市場(chǎng)，隨后8051μC的普及應(yīng)用極端火爆。但是，該公司將停止生產(chǎn)8051、251、8096/196、188/186、i960、所有版本的386 (包括386EX)和486，總計(jì)起來(lái)，大約700種器件型號(hào)正在停產(chǎn)。采用基于ASIC的μC/μP (微控制器/微處理器)的客戶預(yù)期，其它的供應(yīng)商也將做出器件過(guò)時(shí)的宣告，特別是那些最近被私人股權(quán)投資公司收購(gòu)的、要減產(chǎn)特定的μC/μP的供應(yīng)商，他們可能導(dǎo)致所提供的產(chǎn)品被合并。

大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師都關(guān)注器件的過(guò)時(shí)問(wèn)題，在工業(yè)、科學(xué)、汽車和醫(yī)療市場(chǎng)的工程師對(duì)此問(wèn)題更為關(guān)注。因?yàn)檫@些市場(chǎng)的產(chǎn)品生命周期長(zhǎng)，基于ASIC的μC/μP可能是開(kāi)發(fā)一個(gè)產(chǎn)品的成本極高的方法;因?yàn)榧偃?mu;C/μP停產(chǎn)，那么，它就可能涉及對(duì)PCB、軟件接口、板級(jí)支持封裝(BSP)開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、測(cè)試和對(duì)整個(gè)最終產(chǎn)品進(jìn)行多次質(zhì)量認(rèn)證的再一次工程努力。

大多ASIC供應(yīng)商確實(shí)提供諸如最后一次購(gòu)買(mǎi)(LTB)和硅晶圓購(gòu)買(mǎi)計(jì)劃之類的替代解決方案，但是，兩種選擇的成本都是高昂的。很難預(yù)測(cè)(更合適的說(shuō)法是“猜測(cè)”)在產(chǎn)品生命周期中需要采購(gòu)和存儲(chǔ)多少μC/μP，與此同時(shí)，庫(kù)存管理正試圖避免在貨架上把巨大數(shù)量的元器件存放幾個(gè)月或幾年。

軟性、靈活的“生命終止”解決方案

當(dāng)與軟處理IP核相結(jié)合時(shí)，可編程嵌入式平臺(tái)提供獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。采用一種軟處理IP核及幾個(gè)現(xiàn)成的FPGA系列，你可以利用嵌入式行業(yè)中范圍廣闊的不同應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及跟分立器件市場(chǎng)相關(guān)的不確定性。

回避退化風(fēng)險(xiǎn)的一種最佳解決方案是利用在硅器件層上的靈活FPGA構(gòu)造及具有定制外設(shè)的軟IP處理器。賽靈思為英特爾以及其它供應(yīng)商的生命終止器件提供多種解決方案。

這些解決方案依賴于你現(xiàn)有的軟件代碼基礎(chǔ)。如果它是采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，一種選擇是把代碼與C語(yǔ)言對(duì)接;如果這種辦法不可行，你可以試用 Xilinx? AllianceCORE?合作伙伴網(wǎng)絡(luò)提供的像186和8051一樣成熟的μC/μP IP模塊。這將包括把外設(shè)集成到你特定的生命終止器件型號(hào)并進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。

圖1：設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

=====================以下為圖1文字翻譯

Intel 188/186 Features 英特爾188/186功能

MicroBlaze with Memory Controller 具有存儲(chǔ)控制器的MicroBlaze

CPU Static No Cache (12, 20, 25 MHz) CPU靜態(tài)沒(méi)有高速緩沖存儲(chǔ)器

MicroBlaze CPU Core with 16K Cache (104 MHz) 具有16K高速緩沖存儲(chǔ)器的MicroBlaze CPU核

Clock Generator 時(shí)鐘發(fā)生器

DCM on Xilinx FPGA 在Xilinx FPGA上的DCM

Two Independent DMA Channels for External Memory and I/O

用于外部存儲(chǔ)器和I/O的獨(dú)立DMA通道

OPB Central DMA Controller OPB中央DMA控制器

Three Programmable 16-Bit Timers 三可編程16位定時(shí)器

OPB Timer/Counter (Four)材OPB定時(shí)/計(jì)數(shù)器

Local Bus Controller 本地總線控制器

OPB Bus Interface OPB總線接口

DRAM Refresh Control Unit DRAM刷新控制單元

OPB Memory Controller Interface OPB存儲(chǔ)控制器接口

Programmable Interrupt Controller 可編程中斷控制器

OPB Interrupt Controller OPB中斷控制器

Programmable Wait State Generator 可編程等待狀態(tài)發(fā)生器

State Machine or an OPB Timer/Counter (Included Above) 狀態(tài)機(jī)或OPB定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(包括上面)

Chip Select Logic 片選邏輯

OPB GPIO片上外設(shè)總線 (OPB) 通用IO (GPIO)

System-Level Testing Support 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試支持

OPB JTAG UART

=======================以上為圖1文字翻譯

如果現(xiàn)有的軟件代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，賽靈思已經(jīng)在Spartan、Virtex FPGAs、PowerPC μP 32位 RISC嵌入式Virtex FPGA系列以及流行的MicroBlaze 軟IP處理器中提供了真正的不會(huì)過(guò)時(shí)的解決方案。

MicroBlaze軟處理器是一種具有5級(jí)管道執(zhí)行以減少每條指令占用的時(shí)鐘數(shù)(CPI)的32位RISC處理器。該產(chǎn)品的供貨已經(jīng)有5年時(shí)間，最新的版本是MicroBlaze v5.0，它是100%二進(jìn)制向下兼容的。二進(jìn)制向下兼容性意味著可以運(yùn)行較老的MicroBlaze版本或不需要軟件對(duì)接就能在MicroBlaze v5.0系統(tǒng)上運(yùn)行以前的代碼。這就確保了基于MicroBlaze的μC設(shè)計(jì)真正不會(huì)過(guò)時(shí)。隨著未來(lái)版本的MicroBlaze軟IP處理器的推出，用戶將不需要考慮任何過(guò)時(shí)問(wèn)題就能夠從較新的功能集上獲益。

當(dāng)對(duì)性能進(jìn)行了配置之后，MicroBlaze v5.0處理器以210 MHz的速度運(yùn)行在Virtex-5 LX器件上。賽靈思在嵌入式開(kāi)發(fā)工具套件(EDK)包中向客戶免費(fèi)提供MicroBlaze軟處理器許可證，此外，不存在單位版稅，所以，不論你銷售的是一片或是一百萬(wàn)片芯片，你都可以擁有你自己特定的MicroBlaze設(shè)計(jì)。

為了使你能夠開(kāi)發(fā)一種針對(duì)你自己應(yīng)用的特殊、靈活和獨(dú)一無(wú)二的解決方案，賽靈思已經(jīng)開(kāi)發(fā)了稱為Platform Studio的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。Xilinx Platform Studio (XPS) IDE和工具套件被包含在EDK包之中。XPS 提供讓你在系統(tǒng)的軟件和硬件層中定制各種解決方案的真正靈活的工具。XPS的組成部分包括：一套稱為基本系統(tǒng)構(gòu)建器的快速I(mǎi)P生成工具(BSB);一套基于GNU/GCC的軟件開(kāi)發(fā)工具;一套稱為XMD的處理器除錯(cuò)引擎;一套稱為SDK的基于Eclipse的軟件開(kāi)發(fā)套件;一套處理IP外設(shè)模塊的擴(kuò)展庫(kù);MicroBlaze 32位RISC處理器。[!--empirenews.page--]

賽靈思嵌入式處理器獲得了由RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))中間件、除錯(cuò)和電子系統(tǒng)級(jí)(ESL)工具供應(yīng)商組成的生態(tài)系統(tǒng)的支持，他們也將有助于你定制自己的產(chǎn)品。

平臺(tái)IP

賽靈思利用MicroBlaze處理器、外設(shè)、SDRAM和閃存控制器提供一種等效于“生命終止”器件的設(shè)計(jì)。這種來(lái)自英特爾公司和其它供應(yīng)商的針對(duì)“生命終止”器件的預(yù)集成參考設(shè)計(jì)解決方案被稱為Platform IP，這種解決方案使你能夠快速地開(kāi)發(fā)并部署真正不過(guò)時(shí)的方案。

例如，對(duì)于英特爾公司的186/188XL系列，表1列出了在這些產(chǎn)品上的外設(shè)和它們的賽靈思等效IP模塊。

圖1：186/188XL加上等效于CAN控制器的設(shè)計(jì)例子，該方案的組成部分包括：

一個(gè)Spartan-3E FPGA平臺(tái);

一個(gè)以104 MHz速度運(yùn)行在Spartan-3器件上的MicroBlaze 32位RISC CPU;

等效于186/188XL的通用外設(shè);

內(nèi)部存儲(chǔ)器SDRAM和閃存控制器;

CAN (控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))2.0 A/B MAC

這種靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減少各種風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槟憧梢园讶魏螌?lái)的要求以新的定制邏輯模塊、DSP、外設(shè)或第三方IP的形式添加到FPGA之中。 此外，該系統(tǒng)還可以被方便地重新配置。

在表2中的設(shè)計(jì)表示的是對(duì)FPGA構(gòu)造的有效使用。賽靈思的Platform IP以參考設(shè)計(jì)的形式為英特爾公司和無(wú)數(shù)其它供應(yīng)商的“生命終止”產(chǎn)品提供解決方案，使你能夠快速地部署針對(duì)你的過(guò)時(shí)器件的解決方案。

圖1：186/188XL加上等效于CAN控制器的設(shè)計(jì)例子

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Instruction-Side Local Memory Bus 指令側(cè)本地存儲(chǔ)器總線

Dual-Port Block RAM 雙口模塊RAM

Data-Side Local Memory Bus 數(shù)據(jù)側(cè)本地存儲(chǔ)器總線

System Reset 系統(tǒng)復(fù)位

JTAG Block JTAG模塊

MicroBlaze Processor MicroBlaze處理器

Instruction LMB 指令LMB

Data LMB 數(shù)據(jù)LMB

FSL快速單工連接

Interrupt Control Unit 中斷控制單元

DMA 直接存儲(chǔ)器存取

On-Chip Peripheral Bus –片上外設(shè)總線 (OPB)

OPB Arbiter OPB仲裁器

Timer/Counter/Watchdog 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/看門(mén)狗

Memory Controller & Refresh Control 存儲(chǔ)控制器和刷新控制

Chip Select Unit 芯片選擇單元

USART/Serial USART/串行口

CAN2.0 A/B

Future 將來(lái)的需求

FPGA Fabric FPGA構(gòu)造

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表2：針對(duì)實(shí)例設(shè)計(jì)的FPGA構(gòu)造要求

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Xilinx MicroBlaze Processor with Internal SDRAM Controller

具有內(nèi)部SDRAM控制器的賽靈思MicroBlaze處理器

Slices 邏輯片

LUT 查找表

FF觸發(fā)器

Block 模塊

RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

MicroBlaze CPU Core with 16K Cache 具有16K高速緩沖存儲(chǔ)器的MicroBlaze CPU核

DCM on Xilinx FPGA 在Xilinx FPGA上的DCM

OPB Central DMA Controller OPB中央DMA控制器

OPB Timer/Counter (Four) OPB定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

OPB Bus Interface OPB總線接口

OPB SDRAM Controller OPBSDRAM控制器

OPB Interrupt Controller OPB中斷控制器

State Machine or an OPB Timer/Counter (Included Above) 狀態(tài)機(jī)或一個(gè)OPB定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(包括上面的)

OPB GPIO片上外設(shè)總線 (OPB) 通用IO (GPIO)

OPB JTAG UART

Peripherals 外設(shè)

Internal Memory Controller (SDRAM Controller) 內(nèi)部存儲(chǔ)控制器(SDRAM控制器)

OPB Interrupt Controller OPB中斷控制器

Flash Controller 閃存控制器

Total Slices, LUT FF, Block RAM Required 總的邏輯片，LUT FF，所需要的模塊RAM

Spartan-3E Family Products Spartan-3E系列產(chǎn)品

XC3S500E

Utilization 利用率

XC3S1200E

Utilization 利用率

XC3S1600E

Utilization 利用率

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結(jié)論

所有的芯片制造商都將在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)某些產(chǎn)品實(shí)施停產(chǎn)，但是，F(xiàn)PGA是可編程、可再編程且可現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的。因此，作為一個(gè)FPGA用戶，當(dāng)你為利用成本、密度和功耗趨勢(shì)而在FPGA平臺(tái)系列上進(jìn)行代碼移植時(shí)，你可以確信你花費(fèi)多人年所做的軟件開(kāi)發(fā)可以被安全地投資到一個(gè)嵌入式目標(biāo)設(shè)計(jì)之中，該嵌入式目標(biāo)設(shè)計(jì)可以繼續(xù)運(yùn)行同你第一天編制的代碼一樣的軟件代碼，即使它可能正在新的硬件上運(yùn)行。

賽靈思處理核使客戶能夠有效地利用FPGA構(gòu)造并有效地管理成本。當(dāng)MicroBlaze和PicoBlaze 處理器(后者是采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的8位參考設(shè)計(jì))被嵌入到FPGA構(gòu)造之中時(shí)，通過(guò)你現(xiàn)有和配置的穩(wěn)定的平臺(tái)，可以消除處理器過(guò)時(shí)的問(wèn)題。隨著 Spartan系列到Virtex 系列FPGA的應(yīng)用范圍向商用和汽車級(jí)工業(yè)領(lǐng)域的跨越，軟處理器成為防止設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)的理想解決方案。你不僅僅能夠獲得可編程邏輯所提供的靈活性、一體化和可升級(jí)性，而且可以獲得專門(mén)滿足你的設(shè)計(jì)要求而定制的處理器。

MicroBlaze處理器的軟件本質(zhì)意味著它可以被例示到無(wú)數(shù)的平臺(tái)FPGA器件之中，覆蓋廣泛的器件配置和價(jià)格點(diǎn)。完全采用軟處理器核和可定制 IP就可以替代你的過(guò)時(shí)器件。因?yàn)镸icroBlaze解決方案是軟處理器IP核，你的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)不會(huì)因一個(gè)處理器芯片的“生命終止”而過(guò)時(shí)，后續(xù)版本將保持100%的二進(jìn)制向下兼容性。此外，源代碼許可協(xié)議是現(xiàn)成的。欲了解更多關(guān)于MicroBlaze的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.xilinx.com/cn/microblaze。