最終生產(chǎn)模式 - 為國產(chǎn)FPGA正名——國內(nèi)外知名產(chǎn)品大比拼

　　最終生產(chǎn)模式：

　　不外掛存儲器，8051代碼存儲于OTP存儲器中，F(xiàn)P配置數(shù)據(jù)存于OTP或SPI FLASH中。因為OTP存儲器是一次性的，所以不能用于調(diào)試階段。一般產(chǎn)品最終定型后再使用OTP存儲器可以獲得最優(yōu)的性能和最低的成本。

　　而當(dāng)采用OTP 作為8051 代碼內(nèi)存，最高時鐘頻率可達(dá)100MHz。較理想的方法是用鎖相環(huán)PLL來產(chǎn)生8051 時鐘。CKCON SFR的低4位用來控制數(shù)據(jù)Memory 的等待周期。如果8051時鐘頻率高于45MHz，最好將value設(shè)置為大于等于2，以防止時鐘太快，數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好。

　　也就是說，OTP方式可以達(dá)到51硬核代碼運行的最佳性能，甚至于性能的速度瓶頸已經(jīng)不是代碼存取，而是數(shù)據(jù)存取。

　　以上三種模式是比較推薦的，但是特權(quán)同學(xué)從實際工程需要來考慮，簡單的說，需要一種調(diào)試模式和一種生產(chǎn)模式。生產(chǎn)模式無可厚非的選擇OTP燒錄，而調(diào)試模式有點棘手，如果選擇小模式，代碼運行量太小，頂多不過2K，基本干不了什么事。而選擇外擴SRAM，有限的IO資源不會允許的。所以，有點苦惱，但是還好，還有一種最次的選擇——性能低下的第四種模式。
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　　當(dāng)8051的性能低于1.4MIPS時，可用spi flash作為8051的代碼存儲器。此模式的運行環(huán)境如下：

　　1. 選用片內(nèi) SPI FLASH；

　　2. FPGA的配置數(shù)據(jù)和8051代碼存放在同一個SPI FLASH 里；

　　3. 8051 與SPI FLASH 接口大約需要90 個LE cells；

　　4. 8051 的內(nèi)核時鐘最快為30MHz 左右， 8051 最快運行性能大約為1.4MIPS；

　　5. 順序取指需要 8 個時鐘周期，跳轉(zhuǎn)取指需要40 個周期；

　　在嘗試SPI FLASH模式的時候，遇到了比較有意思的事。特權(quán)同學(xué)根據(jù)實例做SPI FLASH的運行測試，結(jié)果搞不定，也找不到相關(guān)的IP核。于是求問FAE，F(xiàn)AE直接告知這個IP核還沒有集成到工具中，然后把源代碼都發(fā)過來了。呵呵，雖然工具不完善，不過服務(wù)倒是很周到。

　　由于基于SPI FLASH的模式是在51硬核與SPI FLASH之間使用FPGA邏輯搭建了一個FLASH讀取的模塊。所以經(jīng)過測試，確實這個FLASH讀取控制的邏輯模塊頻率不能太高，過高FLASH就要**了，理論值是30M，而特權(quán)同學(xué)用了25M。然后使用上一篇手記同樣的方法改變硬核的頻率進行測試。

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　　結(jié)果證明，51硬核的頻率受制于指令的讀取速度，那么在SPI FLASH模式下速度性能確實大打折扣。

　　時序工具

　　關(guān)于時序工具的一些FAE解答：

　　問：你們的工具是否只提供所有輸入輸出管腳完全一致的時序約束？如tsu，th，tco，tpd的約束？如果不同管腳可以有不 同約束值，如何設(shè)置？

　　FAE：我們的工具提供的是時序分析功能，尚未提供時序約束功能，也就是說可以根據(jù)您輸入的值作為參考，計算出當(dāng)前實現(xiàn)的各種時序信息與參考值的差距，但并不會根據(jù)輸入的值去做優(yōu)化，所以也就不存在對不同管腳分別設(shè)置約束的功能了。

　　問：tco是指reg2pin的延時約束，tpd是指pin2pin的約束。而輸入管腳約束tsu和th值，具體含義我不是很 明白？比如說我希望輸入管腳的pin2reg延時為0-10ns，那么tsu和th如何設(shè)置？

　　FAE：tsu就可以理解為pin2reg的延時，它是信號從pin到FPGA內(nèi)部第一個reg相對于這個reg的clock的setup time，而th就是相對這個clock的hold time，th一般不會有問題，需要關(guān)注的是tsu。

　　問：我嘗試用GUI做了一些時序約束，然后每次做時序分析都報錯：Error： T2000： （ice_run_sta） Run sta failed. 這是什么問題？

　　FAE：您的這個錯誤一般是sta設(shè)置上有什么問題，得具體分析工程。

　　今天終于拿到了最新3.2版本的軟件，安裝后，進行編譯，長達(dá)近10分鐘的placement讓我眉頭緊皺。后來從FAE處得知我拿到的是還未release出來的中間版本，有問題在所難免。不說這個，回到主題上來，其實總感覺有些遺憾。FAE在之前的回答其實已經(jīng)預(yù)示著這個國產(chǎn)FPGA與特權(quán)同學(xué)緣分已到盡頭。

　　WHY？他們提供的時序分析工具根本算不上真正的時序分析工具，或者這么說，這個所謂的時序分析工具只能提供分析，而無法進行時序的約束和優(yōu)化。即便他們的工程設(shè)置中也提供了如圖1的恐怕可以稱得上是最簡單的“時序約束”，但這個所謂的“時序約束”其實并沒有任何“約束”的作用。安裝“官方”的說法，它不能夠?qū)C合乃至布局布線起到任何影響，而不過是給報告中的路徑劃了一條水平線，報告中確實能夠體現(xiàn)出水平線上或下的狀態(tài)。

　　圖1

　　如圖2所示，很無奈的只是移植了一個SDRAM控制器外加一些其它邏輯，占去了總共1000個LE中80%的資源，然后只是約束了一個50MHz的工作時鐘，結(jié)果出來了20條false路徑。即便嘗試去試試用提供的僅有幾個對mapping或palcement&routing設(shè)置的優(yōu)化，結(jié)果換來了更多的false。FAE也坦言，目前只能做些簡單的邏輯，跑個SDRAM等稍復(fù)雜的邏輯也就只能跑個二三十兆的樣子。

　　圖2

　　幾天的試用，雖然以國產(chǎn)FPGA的性能問題而告夭折。雖然還顯稚嫩的開發(fā)工具、差強人意的器件性能多少讓人有些失望，但至少從某種程度上讓特權(quán)同學(xué)改變了對國產(chǎn)的一些偏見。其實，如果Agate Logic能夠持續(xù)這種開發(fā)熱情，不斷的改進，假以時日，相信他們會成為“中國的Altera”、“中國的Xilinx”。

　　外擴SFR使用

　　本以為這個國產(chǎn)FPGA的就此夭折，沒想到權(quán)衡之后，在性能打些折扣的情況下還是重新?lián)炱饋砹?。從剛接觸這個器件的時候特權(quán)同學(xué)就很關(guān)心它的硬核可擴展性，Avalone接口用上手了，當(dāng)然很希望這個51硬核也能夠提供類似的強大擴展接口。不過話說回來，畢竟是個8位的核，再強大也不到哪去，但在花了點心思琢磨了這個小玩意的擴展方式后，多少覺得還是有點花頭的。

　　SFR，即特殊功能寄存器。SFR是8051單片機內(nèi)部用于訪問控制各種片上集成外設(shè)的主要寄存器，如常見的IO口（P0/P1/P2/P3）讀寫、IO中斷配置、定時器配置、串口外設(shè)等。因此，對一般用戶而言，玩轉(zhuǎn)8051就是玩轉(zhuǎn)SFR的過程。一般的單芯片8051單片機的SFR接口不對外開放，除了部分寄存器內(nèi)部使用外，余下地址空間保留。而Astro器件的這顆8051硬核將空置的SFR地址空間開放給用戶，提供了專門的對外接口時序。

　　特權(quán)同學(xué)將關(guān)于Astro器件SFR相關(guān)的特性整理如下：

　　● 可尋址空間0x80~0xff。

　　● 部分地址空間已被8051內(nèi)部使用。

　　● 16個地址空間（能被8整除的地址如0x80、0x88、0x90、…0xf8等）可位尋址。

　　● 最多支持49個8051核外可用SFRs，除核內(nèi)已占用的地址，余下地址空間均為用戶可用的核外SFRs。

　　● 外部SFR接口含有等待狀態(tài)寄存器（主要由sfack信號控制實現(xiàn)），允許8051內(nèi)核與較慢的外設(shè)連接。

　　● 外部SFR讀寫時序如圖3所示。

　　圖3

　　為了簡單的評估8051硬核的SFR擴展功能的性能，特權(quán)同學(xué)做了一些測試。