可編程邏輯在消費(fèi)電子中的應(yīng)用

     在有限的產(chǎn)品面市的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)對(duì)不斷變化的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)使得可編程邏輯器件（PLD）廣泛地用于消費(fèi)電子產(chǎn)品之中。而專用集成電路（ASIC）和專用特定標(biāo)準(zhǔn)器件（ASSP）的開發(fā)需要昂貴的非重復(fù)性工程費(fèi)用，PLD是標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成器件，可針對(duì)各種應(yīng)用使用靈活的軟件工具進(jìn)行定制。

　　降低功耗預(yù)算

　　降低靜態(tài)功耗一直是消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。許多電池供電的產(chǎn)品，如智能電話、GPS設(shè)備、移動(dòng)計(jì)算和數(shù)碼相機(jī)，延長(zhǎng)電池壽命是最重要的差異化特征之一。由于設(shè)計(jì)人員力求符合最新的能源之星和歐盟管理守則的規(guī)定，對(duì)于許多通過(guò)墻上插座供電的電子設(shè)備而言，低功耗也越來(lái)越重要。

　　在許多消費(fèi)電子系統(tǒng)中，通過(guò)提供先進(jìn)的總線接口和橋接功能，PLD可擴(kuò)展當(dāng)前一代的應(yīng)用處理器或CPU的使用率。這些總線接口和橋接功能通常不會(huì)有非常高的性能要求。圖1展示了這樣一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

圖1：在手機(jī)中使用PLD

　　PLD還經(jīng)常用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口控制器、顯示控制器、外部存儲(chǔ)器接口控制器和PWM控制器。表1展示了在消費(fèi)電子市場(chǎng)中一些常見(jiàn)的PLD的應(yīng)用。

表1：消費(fèi)電子應(yīng)用中常用的PLD的功能

　　像高端FPGA一樣，現(xiàn)在低密度的PLD有先進(jìn)的I/O功能，包括支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)、多個(gè)I/O bank，以及多種電壓。這些特性允許使用PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)ASIC/ ASSP、存儲(chǔ)器、處理器，以及通常有不匹配的電壓和I/O標(biāo)準(zhǔn)的其他器件之間的互連邏輯。

　　如圖2所示，對(duì)于將低成本、低密度PLD用于先進(jìn)的互連邏輯，圖形復(fù)用器是一個(gè)理想的例子。筆記本電腦和便攜式電源管理的最新趨勢(shì)是英特爾可切換顯卡倡議。圖形多路復(fù)用器選擇基于應(yīng)用需求的圖形控制器。低功耗集成GPU用于諸如文字處理，電子郵件和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽的常規(guī)應(yīng)用。高性能的獨(dú)立GPU用于高性能的應(yīng)用，諸如游戲、視頻編輯和播放高清視頻。PLD支持低擺幅差分I/O標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)置的齒輪箱和PLL，能夠與圖形處理器接口，實(shí)現(xiàn)智能多路算法，以減少或消除切換時(shí)的視覺(jué)效果并直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。

圖2：基于PLD的圖形復(fù)用器

　　萊迪思的MachXO2 PLD系列對(duì)如前所述的消費(fèi)電子應(yīng)用中的各種功能是理想的選擇。采用優(yōu)化的查找表（LUT）結(jié)構(gòu)與65納米嵌入式閃存工藝技術(shù)相結(jié)合，MachXO2器件為消費(fèi)電子設(shè)計(jì)提供了一個(gè)靈活的“全功能 “的解決方案。

　　低成本的封裝

　　MachXO2器件有各種低成本，無(wú)鹵素的封裝?？捎玫姆庋b選擇包括低成本的BGA和TQFP，以及先進(jìn)的晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝和微型芯片級(jí)封裝。 BGA封裝包括盡可能少的信號(hào)布線層，以降低整個(gè)封裝的成本。這些封裝的設(shè)計(jì)使得所有的I/O和電源連接從PCB布線的2至4層引出。這樣做避免了使用較高成本的制造技術(shù)，如埋孔或盲孔，以及激光孔鉆。MachXO2封裝的I/O分配能夠使同一封裝實(shí)現(xiàn)密度遷移。當(dāng)設(shè)計(jì)有變化，需要一個(gè)更大或更小的MachXO2器件時(shí)，這有助于利用同樣的電路板。

　　更高的集成度

　　圖3展示了一個(gè)MachXO2集成分立邏輯器件，如I/O擴(kuò)展器、電平和總線橋接轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)節(jié)器、時(shí)鐘源和配置器件，所有這些都在單個(gè)器件之中。

圖3：MachXO2功能整合

　　MachXO2器件內(nèi)含多達(dá)256Kbit的嵌入式閃存。這些片上用戶閃存（UFM）使MachXO2器件能夠集成外部非易失性存儲(chǔ)器，可用于各種應(yīng)用，包括存儲(chǔ)配置文件部分、儲(chǔ)存PROM數(shù)據(jù)，或作為通用用戶閃存。 MachXO2器件還具有標(biāo)稱精度為+/- 5%的內(nèi)部振蕩器，可以用來(lái)作為設(shè)計(jì)的時(shí)鐘源，因此無(wú)需外部振蕩器。

　　固化的SPI、I2C、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

　　SPI和I2C控制器和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是消費(fèi)電子設(shè)計(jì)中最常用的功能。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常用PLD實(shí)現(xiàn)SPI或I2C總線擴(kuò)展。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器也經(jīng)常被用來(lái)生成狀態(tài)信號(hào)。所有MachXO2器件擁有這些常用功能的固化實(shí)現(xiàn)。有了固化的I2C、SPI和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能，設(shè)計(jì)人員可節(jié)省高達(dá)600LUT，可用于在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)附加的邏輯。

　　由于非易失性降低了功耗

　　除了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗之外，功耗的額外部分與浪涌和配置有關(guān)。這是PLD / FPGA進(jìn)入用戶模式之前，上電和配置期間的功耗。功耗是與進(jìn)入用戶模式所需的時(shí)間成正比的。電路板設(shè)計(jì)人員必須考慮這一部分額外的功耗，同時(shí)確定電源的要求。許多消費(fèi)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使得FPGA或PLD頻繁開/關(guān)循環(huán)。由于開/關(guān)周期頻繁，這個(gè)系統(tǒng)的行為加劇了這一額外的功耗。由于其固有的性質(zhì)（即帶有片上配置存儲(chǔ)器的PLD），MachXO2器件可以用微秒的時(shí)間配置自己，盡量減少浪涌和配置過(guò)程中的功耗。圖4展示了MachXO2 PLD與基于SRAM的FPGA進(jìn)入用戶模式所需時(shí)間之間的比較。

圖4 MachXO2減少了功耗周期

　　用免費(fèi)的設(shè)計(jì)工具加速創(chuàng)新

　　設(shè)計(jì)人員可以開始使用Lattice Diamond v1.2版本軟件用MachXO2器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該軟件可以從萊迪思網(wǎng)站免費(fèi)下載。

　　一個(gè)為消費(fèi)電子應(yīng)用而優(yōu)化的全套參考設(shè)計(jì)可以從萊迪思網(wǎng)站免費(fèi)下載。這些包括LatticeMico8微控制器，外設(shè)如UART、I2C主/從，SPI主/從，I2S控制器和各種閃存控制器的。該參考設(shè)計(jì)源代碼，包括HDL和固件，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)行修改。

　　結(jié)論

　　在實(shí)現(xiàn)消費(fèi)電子應(yīng)用中，使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)各種功能是一種不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗麄兛朔薃SIC和ASSP的局限性，提供具有成本效益，低功耗和靈活的解決方案。MachXO2 PLD系列是專為低成本，低功耗消費(fèi)電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，為設(shè)計(jì)人員提供了更低成本的優(yōu)勢(shì)、降低了功耗，并在一個(gè)小的封裝中增加了系統(tǒng)集成度。此外，MachXO2包含了在消費(fèi)電子應(yīng)用中常用的一些最流行的功能的固化實(shí)現(xiàn)，例如用戶閃存（UFM）、I2C、SPI和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。