為國產FPGA正名——國內外知名產品大比拼

　　印象中FPGA市場基本是Altera和Xilinx一統(tǒng)天下，他們的明爭暗斗決定著FPGA的未來，甚至他們各自的家族產品都是對著干的。Lattice、Actel、Atmel各有其小眾市場，再有別的廠商，基本上是不太叫得上來了。

　　國產FPGA？是不是聽錯了，沒有。記得第一次聽說FPGA前面加了個定冠詞“國產”應該可以追溯到還和價格堪比年薪的軍品糾結的歲月。不過那個“國產”二字總感覺和“盜版”諧音，真的不是損誰，只是實事求是的說。也許這種模式也叫“中國特色”吧，好歹比那天忘了在哪位大俠博客看到的“二次包裝”的“中國制造”強上千百倍。Xilinx早期的XC4打頭的FPGA，也只有ISE4以前的版本支持，“低端”軍品也就這幾款了。所以國內的XX所也很牛，居然能夠逆向設計將他們的“國產”FPGA做得和它完全兼容，不止是PIN2PIN，甚至連開發(fā)工具他們都不用徒手打造了，告訴我們完全替代現(xiàn)有的Xilinx器件。

　　有時候不得不感嘆，中國人很牛。外國人可以做到的，基本上沒有中國人做不到的。時光荏苒，已不再需要靠那些“可靠”換“性能”的片子干活了。而FPGA的成本卻越來越成為產品開發(fā)中揮之不去的夢魘，于是乎，老板想盡辦法要壓榨FPGA的成本，這次找來了又一個“國產”準備在低端低成本的應用中大干一場。不過幾番觀察下來，特權同學開始對此“君”頗有好感，它也許算不上真正意義上的“國產”，但是多少讓人感受到了它走的是一條“正規(guī)”有“前途”的路子。

　　其實也只是昨天才開始正式的和這家名為Agate Logic的FPGA廠商有了一些“親密”接觸。它的開發(fā)工具，它的開發(fā)流程，它的主打芯片結構、特點、性能都有所了解，但要真*實彈的用這個家伙干活，還得有更深入的嘗試和驗證。對這些嘗試做些記錄，也許，是一次蠻有意思的嘗試。

　　今天先簡單的沒主題的隨便扯談吧。首先，這家公司是提供了兩個系列的產品，其中一個系列工藝先進些，據(jù)說性能好一些，只不過年初剛量產，還不是主推產品，姑且不詳談，畢竟特權同學的DEMO板上的主角兒也不是它。另一個低端點的系列叫Astro，別小看它了，先羅列一下參數(shù)大家瞧瞧。

　　★ 硬核——可以跑到100MHz的8051硬核，標準外設IIC一個、SPI一個、USART兩個、定時器數(shù)個。

　　★ 1Mbit一次性可編程存儲（OTP）——加密的利器啊。

　　★ 1個PLL——3個可選輸出，相位可調。

　　★ 可選的內部4Mbit FLASH。

　　★ 2個9Kbit可配置存儲器——雖然對于片內存儲要求很高的特權同學有點“巧婦難為無米之炊”了，不過低端應用犧牲一些“性能”還是可以接受的。

　　有這些東西還不算，最主要的還是它保持著傳統(tǒng)“中國特色”的“便宜”，基本上3個美金可以拿到有1024個LUT的器件了。若是要和當前的Altera相關解決方案比比，那真得是蠻有競爭力的。MAX II系列CPLD除了邏輯真得沒有別的用處了，而邏輯資源遜色不少的EPM570（EPM1270不說了）目前市場上估計是有缺貨的因素，居然賣到30好幾個RMB了。而如果選擇Cyclone系列最便宜的EP1C3好像也只要30多RMB，但是要跑個最經濟的NIOS也有點困難。而且有個很有意思的現(xiàn)象，正規(guī)代理商會很無奈的告訴你這樣的老器件要30的數(shù)倍價格才能搞到，而外面的小商小販賣的就是30的準“白菜價”（當然不排除買到“散新貨”的可能）。而Astro卻連配置器件和外掛MCU的成本都省了，雖然它也是基于SRAM的結構。（不行，越比發(fā)現(xiàn)這東西越好。先申明一下，這里不是推銷，只是比較，特權同學是用芯片的，不是賣芯片的。嘿嘿）

　　今天花了一上午把它們的開發(fā)工具Primace的Help過了一遍。再說個題外話，昨天到它們的上海辦事處，感覺上這般人對版本的管理不是很好，動不動來一個版本，讓我們當時一個版本裝另一個版本卸的來回折騰好幾次才看到Primace的本來面目。還有那個USB下載線，MCU要一個JTAG，F(xiàn)PGA也要一個JTAG，如果能二合一的干活多好啊，就像咱的NIOS2。

　　FPGA開發(fā)，確切的說硬件系統(tǒng)的開發(fā)都是有賴于Primace的，軟件是KEIL，它們提供了一套接口，用上去還算方便。這個Primace整個一ISE或者Quartus II的簡化版，畢竟也是剛起步，勉強可以接受，怎么說咱當年在ISE10大行其道的年代也有過被迫無奈“玩轉”ISE4的經歷。

　　截個圖，如圖1，它們的開發(fā)流程也算是軟硬兼施，F(xiàn)PGA的流程很簡化，看上去很“清爽”。最終把FPGA配置文件bitgen和KeilC的Hex一起在軟件里生成個新文件下載就行。

　　圖1

　　開發(fā)工具真的很“簡陋”。時序約束和分析特權同學還沒摸懂怎么回事，就那么兩三個GUI選項，只能說是比Classic timing analyzer還Classic，這一點是特權同學最擔憂的；提供的板級調試手段也很有限，好像就一個稱為Signal monitor的家伙，沒有嘗試，就不妄下定論，好在本來它的邏輯資源也不多，調試起來有沒有在線手段也無關緊要。

　　51硬核性能測試

　　IO口速度測試，使用以下程序測試高電平脈寬。

　　while（1）

　　{

　　P0 = 0xf;

　　P0 = 0x0;

　　}

　　同等條件下與其他MCU比較：

?

　　　在兩次操作之間插入延時函數(shù)，分別延時delay（1）、delay（2）、delay（3）、delay（4）。測試延時函數(shù)如下：

　　void delay（uchar cnt）

　　{

　　uchar i =0;

　　while（i 《 cnt）

　　{

　　i++;

　　}

　　}

　　由于delay（）函數(shù)調用一次會有一些額外開銷（如賦初值等），所以我們通過不同延時值的實際延時差來看指令運行的速度。換句話說，對前面的程序，可以通過每次delay（）函數(shù)的差值來計算每多執(zhí)行一次i++和一次i

　　特權同學曾使用相同條件測試了51單片機，通常11.0592MHz下工作的51單片機每多執(zhí)行一次i++和一次i

　　延時函數(shù)ASTRO 8051硬核NIOS II/s 32位軟核

　　50MHz100MHz25MHz50MHz

　　Delay（1）5.0us2.5us6.5us4us

　　Delay（2）6.6us3.3us9us6us

　　Delay（3）8.3us4.2us11.5us7.5us

　　Delay（4）9.9us5.0us14us9.5us

　　i++與i約1.63us約0.83us約2.5us約1.25us

　　簡單的一些性能測試，發(fā)現(xiàn)這個51硬核還是有花頭的，至于穩(wěn)定性和可靠性上還需繼續(xù)驗證和嘗試。當然，本文的測試是使用了片內的存儲器作為代碼和數(shù)據(jù)存儲，實際速度性能和存儲器的性能關系非常大，是需要進一步考核的項目。
?

　　存儲器

　　有幾點關于代碼和數(shù)據(jù)存儲區(qū)配置的一些疑問，麻煩解答一下：

　　問：代碼存儲器可以選擇OTP或者extension memory，一般在最終軟件定型后使用OTP沒有問題，而在調試過程中會選擇extension memory。extension memory里有三類：EMB、SRAM和Custom，通常代碼存儲器應該是非易失存儲器，而你們這里列出來的EMB和SRAM都是下電易失的，這一點我不是很明白？難道說extension memory只是在KeilC處于debug模式時代碼運行的存儲區(qū)，而非代碼下電存儲的介質？EMB只有1K（最大可以到2K），如果設置了這個代碼存儲器，是不是KEILC DEBUG時代碼不可以超過1K？

　　FAE：EMB和SRAM都是易失的，用EMB是最大可支持2KB的code空間，EMB初始化的信息與FPGA配置信息一起存儲在內嵌SPI Flash中，上電自動加載，用SRAM時，需要使用我們提供的SRAMLoader工程，利用Astro重配置特性進行加載。

　　問：與上面類似的疑問，關于數(shù)據(jù)存儲區(qū)，兩個選項，on-ship SRAM默認勾選，這個沒有疑問。而FP應該是內部擴展的4M Flash，應該是非易失存儲器，數(shù)據(jù)存儲器通常沒有必要是非易失的吧？我認為按照常規(guī)，代碼存儲是非易失存儲器，數(shù)據(jù)存儲是易失存儲器，而你們的配置選項讓我有點糊涂。

　　FAE：Astro內部為8051提供16KB專用SRAM，用作data空間。

　　問：另外，SPI燒錄應該是將FPGA配置數(shù)據(jù)燒錄到4M FLASH中吧？而用Configuration Packer功能應該是要將FPGA配置數(shù)據(jù)和軟件hex文件封裝成一個文件燒錄到4M flash中吧？我這么嘗試過好像下電后系統(tǒng)沒有跑起來，那么是不是在系統(tǒng)的存儲器配置中有所講究呢？

　　FAE：Configuration Packer可以讓Astro內存儲多個配置文件，利用它可以在使用SRAM做code空間時打包SRAMLoader工程進行上電自動加載。附件中是關于Astro的幾個應用文檔，您先看一下，寫的比較詳細，相信對您理解Astro用法會很有幫助，謝謝！

　　昨天對Agate Logic負責硬件的FAE狂轟濫炸，對于其開發(fā)工具和器件的結構都有更深入的了解和認識，上面的幾個問答只是關于51硬核的數(shù)據(jù)和代碼存儲器方面的，好一番追問之后，總算逼出了幾個像模像樣的文檔出來，消化后再做了一些實踐，然后有一點收獲和對后續(xù)項目在存儲器配置上的一些可行性的想法。另外，關于時序方面的一些疑問也得到了解答，不是很放心，也問出了一些真真確確的“問題”來，并且目前在用軟件版本的一些bug也被我問出來了，目前還需要等著廠商給我提供補丁，所以關于時序方面的博文只能暫緩進行。

　　特權同學問題提得比較到位，但不是很有水準。FAE回答得也不是很容易讓人明白，最后還是文檔給出了比較權威的解答。

　　在討論Astro系列芯片51硬核的軟件運行模式之前，要先看看Astro系列芯片到底已經提供了哪些片內的存儲資源，不看不要緊，一看嚇一跳——可謂品種齊全，滿足各類需求。

　　1. 總共1Mbit的OTP型存儲區(qū)，其中64KB用于FPGA的配置數(shù)據(jù)存儲，另64KB用于51硬核的最終代碼存儲器。

　　2. 4Mbit（512KB）的FPGA和8051公用的SPI Flash。

　　3. 2塊9Kbit的可配置雙端口EMB。

　　4. 16KB的51硬核專用數(shù)據(jù)存儲器。

　　Astro系列芯片51硬核的軟件主要運行模式：

　　小模式：

　　不外掛存儲器，使用芯片現(xiàn)有資源，F(xiàn)PGA配置數(shù)據(jù)和8051代碼（小于2KB）存儲于SPI Flash中。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA配置數(shù)據(jù)先從SPI Flash中導出并配置FPGA，也包括EMB的初始化數(shù)據(jù)（即軟件代碼從SPI FLASH搬運到EMB中）；完成后8051代碼直接從EMB中開始運行。

　　內嵌8051在無等待周期的狀態(tài)下，最快時鐘頻率可到70MHz，性能到47MIPS的性能。主要用于8051代碼較少時，調試生產兩便，成本也比較低。

　　手記二中的測試就是基于該模式，性能還算可以。

　　調試模式：

　　外掛SRAM存儲器，F(xiàn)P Bootloader配置數(shù)據(jù)、FPGA用戶程序配置數(shù)據(jù)和8051用戶代碼分段存儲于SPI Flash中。系統(tǒng)上電先從SPI Flash中導出FP BootLoder配置數(shù)據(jù)（內含Loader部分）。配置FP包括EMB的初始化數(shù)據(jù)，完成后SRAM Loader程序將搬運8051用戶代碼到外掛SRAM中；之后再從SPI Flash中導入FP用戶程序并重新配置FP，8051代碼在外掛SRAM中開始運行。

　　內嵌8051在無等待周期的狀態(tài)下，最快時鐘頻率可到35MHz，性能到23MIPS的性能。此模式主要用于8051代碼超過2KB調試時用。當然也可用于生產。請注意外掛SRAM將增加成本。

　　這種模式由于不太可能使用，所以特權同學不過多研究，但這也是嵌入式系統(tǒng)中比較常見的一種BootLoder方式。