长久以来，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，都面临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他许多领域，包括嵌入式控制和工业设计。

毋庸置疑，近年来谈论最多的晶片设计趋势是系统单晶片（System-on-a-chip；SoC）──透过制程技术和设计方法的突飞猛进而得以达成。但是SoC的进展仍然缓慢，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。只有少数公司拥有充沛的资源，能负担将SoC产品发展成为ASIC般生产所需的非经常性工程费用（NRE），即使公司拥有足够资源也必须仔细考虑其投资报酬率。

在业界，迅速将产品推出市场非常重要。产品每延迟一周上市，都会造成营业额巨大的损失：举例来说，如果产品的平均售价为1500美元，而其制造商预计销量将增加到至每周100件，那么，设计延迟三个月便会带来超过100万美元的损失。

FPGA──灵活的工业设计平台

因此，设计人员期望将现场可编程闸阵列（FPGA） 作为灵活的设计平台。此一趋势在无线通信设计方面更加明显，本文稍后将加以叙述。在这种应用中，最初考虑的是采用特定应用标准产品（ASSP），然后是特定应用积体电路（ASIC）。但是当考虑到上市时间、实施弹性及未来过时等问题时，设计小组决定转而采用FPGA来达成其计画。

正如预料一般，上市时间压力并不是导致设计人员转向可编程逻辑元件在设计中获得加值效能的唯一推动力。当今的制程几何能够达成新一代的可编程逻辑元件，可提供更多更高速的逻辑、更快的I/O与更低的价位。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。

现今的高效能FPGA不再局限于引进系统连接逻辑，还可作为SoC平台，让设计人员轻易地修改以进行变更、修复错误或在用户需要升级和配合市场发展时研发未来的​​衍生产品。那些先前选择半客制化ASSP的设计人员，现已不需要再接受应用中不够理想的解决方案；而可以透过比使用ASIC更快的速度建构以客制化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元件的IP数量和范围大幅地增加，包括各种标准效能如广泛用于工业应用的8051微控制器。这类预验证和测试的IP专为可编程逻辑应用而最佳化，使设计人员能够快速建构系统并将其编程到FPGA之内。 IP通常以表单或RTL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，能让设计人员藉由对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的优势，进一步缩短开发周期。通常，这类IP都具有额外特性：如Core8051拥有线上除错能力，能简化IP在系统上的除错，协助设计人员更快地将产品推出市场。

简化设计、缩短上市时程

当产品年产量在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隔的需要。以微控制器为基础的SoC之发展有两个主要因素，分别是需要整合的元件或周边数量，以及所选元件的应用软体和专属驱动程式的整合。在理想的情况下，设计人员当然希望以减少制程步骤和元件数量来缩短开发时间。此外，他们也会简化应用软体的整合。在FPGA内使用的整合IP发展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(图一)中，比较了使用大量IP建构微控制器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整合在一个区块中。这些元件区块及平台已经进行预整合和预验证。当然，IP预建构区块的主要问题是用户可能并不想要整合平台中所有的元件和特性。这个问题的解决方法是不单将元件区块、甚至这些元件区块的关键产品特性也设定成可配置状态。

《图一 以大量IP建构微控制器SoC和使用IP平台开发FPGA设计所需的步骤流程图》

Core8051

事实上，Actel的Core8051 是这种预验证、可配置平台的一部分，名为Platform8051。除了8位元Core8051微控制器外，它还包括五个其他IP单元：Core10/100、CoreSDLC、CoreI2C、CoreSPI和Core16X50。设计人员可指定这些IP内核的任何配置以达成SoC设计，而付出的时间和费用只占开发ASIC所需的一部分。

Core8051是单周期8位元微控制器单元，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。 (图二)所示为这种内核特性的说明方块图。 Core10/100是乙太网媒体存取控制器，以10或100Mb/s的资料速率与区域网路连接，具有用于物理连接的媒体独立介面（MII），并可按照IEEE802.3标准执行带冲突检测的载波感测多重存取/侦测碰撞（CSMA/CD）演算法。这两个IP组成了Platform8051开发套件中使用的网路伺服器设计。

Platform 8051还由四个其他周边内核构成:

《图二 Core8051内核特性说明方块图》

Platform8051

在嵌入式控制应用中，Platform8051内含的元件内核都是常用的周边，因为它们允许设计人员达成诸如感测、控制、监控和通信等关键效能。透过这些预验证单元，设计人员可以重新利用IP，而毋须花费时间将相同的内核反覆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验证时间用于开发加值的应用软体和周边，使得最终产品更具特色。

设计人员需要开发工具来研发FPGA和用于8051的应用代码。 Actel的Libero设计环境可让设计人员模拟和合成完整的整合RTL，然后利用表单对设计进行模拟和时序分析，再使用Actel的Designer软体进行布线。最后，使用Actel的FlashPRO或Silicon Sculptor编程器对FPGA进行编程。

在微控制器编程和除错方面，Actel与First Silicon Solutions（FS2）和Keil Software两家公司合作。 FS2 System Analyzer的设计支援应用软体的线上除错，使用Actel Core8051微控制器的特殊效能和整合周边。 FS2 On-Chip Instrumentation（晶片级线上除错仪；OCI） 的延伸（即专属的silicon hook）将整合在Core8051 MCU中，让FS2可以提供更好的除错工具。来自Keil的μVision整合开发环境（IDE） 将专案管理、原始程式码编辑和程式除错组合成为效能强大的开发环境。?Vision 除错器效能完整，可以让软体发展人员在PC上对目标程式进行全面模拟。

《图三 Platform8051开发工具包》

Platform 8051开发套件

除了软体发展工具外，Actel还提供Platform8051开发套件，如(图三)所示，使设计人员能够观察Actel内IP的工作情况，并迅速和有效地建立和模拟衍生设计。该套件可以大幅减少系统验证时间。它还包括一个可重新编程的ProASIC FPGA、先前提到在元件上编程的网路伺服器设计、网路伺服器代码范例、所有相对应的电缆、FS2 System Analyzer和Keil ?Vision评估套装软体，以及可供选择的FlashPRO Lite编程器。

透过平台IP的方式，FPGA的优势显而易见，就像最近设计的区块化无线工业网路，用于高杂讯工厂环境和制造自动化中。设计小组最初想用分离ASSP，但很快发现这方式并不能在得到正确的效能组合之际，同时满足尺寸和功率需求。

换句话说，设计人员只可在ASIC和FPGA之间选择。专案成本分析研究显示，对于所预计的元件数量，ASIC和FPGA元件的成本接近；但是FPGA没有任何的NRE投资。因此，设计小组决定采用FPGA方案。

当设计小组考虑专案所需的IP时，更加认识到FPGA在成本和上市时间方面具有更大的优势。由于FPGA供应商已经拥有专案所需的大多数IP，因此设计小组只需开发少量特别的IP。使用预开发和验证IP能缩短设计周期长达六个月，让设计小组可以更快的速度和更短的周期让产品上市。而更短的上市周期可带来更多的营收。因为产品市场占有率大于预期，所以明显地增加了销售额和利润。

在此同时，设计小组可以根据较大型用户的应用和特定需求客制化区块，并且在毋须替换整个线路板的情况下进行现场产品升级，过程中只需要对FPGA进行重新编程。此举能降低用户的整体成本、增加产品的价值并扩大市场需求。

《图四 Platform8051》

结语

设计人员从未面对如此巨大的上市时间压力。不论是设计网路介面、电机控制器、逻辑控制器、通信系统或任何的工业应用，FPGA结合种类繁多的可用IP正成为工业设计的最佳方案。就上市时程、执行的弹性及未来的产品更新等因素而言，FPGA较ASSP和ASIC解决方案具有更多优势。此外，因为许多工业应用数量较少，FPGA会比传统的ASIC方案节省更多的成本。设计人员能够迅速把效能编程，并在应用产品中测试，然后对效能规格的变化进行重新编程，自然对工程师更具吸引力。这些特性再结合目前在性能、尺寸和价格方面的进步，可让设计人员透过所熟悉的标准迅速将产品推向市场，并使产品留在市场的时间和获得的营收提升至最高。 （作者为Actel IP产品市场高级经理）