如何在便攜式應(yīng)用中充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢

為保持“連通和觸控”，消費者越來越依賴其便攜設(shè)備。這些設(shè)備包括智能手機、個人媒體播放機、數(shù)碼照相機以及新出現(xiàn)的電子筆記本等。當(dāng)今的手持設(shè)備有多項功用，基于最終應(yīng)用，為實現(xiàn)這些功用對存儲、特性和技術(shù)等方面都提出了挑戰(zhàn)。

同時，便攜式設(shè)計師面臨更大的上市時間和成本壓力，在對價格敏感的消費品市場，他們要竭盡所能奉獻新特性并要與迅速發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)與時俱進。使問題更棘手的是，在提供全部這些特性的同時還要不犧牲電池壽命。

傳統(tǒng)上，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)被認(rèn)為是使設(shè)計盡快上市的最佳載體。但基于功耗和成本方面的考慮，該技術(shù)曾僅限用于原型生成。

但在過去幾年，設(shè)計進步業(yè)已使FPGA進入大批量便攜式設(shè)計。另外，新出現(xiàn)的方案幫助設(shè)計師降低了成本并延長了電池使用時間。例如，基于閃存的FPGA方案，就省去了高功耗的配置存儲器并沒有了基于SRAM方案所產(chǎn)生的漏電流。

現(xiàn)已有靜態(tài)和主動/動態(tài)功耗分別低至5mW和25mW的FPGA，該指標(biāo)媲美定制ASIC和專用處理器的功耗。另外，其天生的可編程能力使設(shè)計師可借助基于平臺的設(shè)計。這使OEM可在單一一個基礎(chǔ)平臺上根據(jù)不同的價格目標(biāo)來增加或削減特性。使軟硬件設(shè)計成本分?jǐn)偟蕉鄠€產(chǎn)品型號的能力為便攜式產(chǎn)品設(shè)計師帶來更大的規(guī)模效益。

便攜式設(shè)備的存儲器要求

當(dāng)今便攜式設(shè)備日益增加的數(shù)字內(nèi)容對存儲容量提出了更高要求。因此，在這樣一個電子設(shè)備中便攜式存儲器將占功耗的一大部分。

在從硬盤到閃存的便攜式存儲應(yīng)用中都可借助FPGA來降低成本、增加靈活性并延長電池壽命。運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的應(yīng)用處理器具有預(yù)先設(shè)定的接口，從而一般不能適應(yīng)迅速變化的市場需求。因此，在如下這些領(lǐng)域迫切需要FPGA所提供的靈活性，這些領(lǐng)域包括：存儲器、處理器橋、控制器以及連通接口。在這些應(yīng)用中，基于閃存的FPGA可在支持多種存儲器接口標(biāo)準(zhǔn)的同時降低功耗。

大體上分為閃存和硬盤的多種存儲方案可用在目前日益增多的電子設(shè)備中。諸如錄像機等需要大容量硬盤方案的便攜產(chǎn)品將使用兩種控制器中的一種。第一種是基于并行或串行ATA標(biāo)準(zhǔn)的集成設(shè)備電子(IDE)控制器。第二種是消費電子ATA(CE-ATA)控制器，它是用于類似便攜式媒體播放機和手持產(chǎn)品等小體積設(shè)備的公共標(biāo)準(zhǔn)。

閃存的應(yīng)用也在擴展，從而拉動了另一類存儲器接口的發(fā)展。包括SD以及非常小巧且可移動的CF方案在內(nèi)的多個存儲卡格式(加之NAND閃存控制器)是閃存市場使用的主要接口。

根據(jù)特定應(yīng)用，手持設(shè)備可能采用這些接口的組合也可能僅采用其中一種接口。無論哪種方式，半導(dǎo)體方案必須提供實施任意數(shù)量接口選項的靈活性。

過去，應(yīng)用處理器僅支持一組經(jīng)過篩選的存儲器接口。但，將應(yīng)用處理器與超低功耗FPGA結(jié)合起來使用是手持設(shè)計的一個新趨勢，其中利用FPGA來提供橋接功能并擴展處理器的存儲器接口支持(圖1)。

存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)

當(dāng)實現(xiàn)存儲系統(tǒng)時，重要的是首先要全力選好基本架構(gòu)。首要問題是，選用哪款處理器？在競爭激烈的便攜市場，通常有幾款領(lǐng)先的處理器可供選擇。設(shè)計師的選擇常常受到多個因素的影響，這些因素包括性能、體積、功率和功耗等技術(shù)要求及采用那款處理器的早先設(shè)計經(jīng)驗等方方面面。

因此，設(shè)計師必須仔細*估其設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計是基于以前的架構(gòu)嗎？若是的話，需要與以前兼容嗎？工程師有選擇他們最熟悉處理器的自由嗎？設(shè)計要求低功耗嗎？當(dāng)然，在便攜式應(yīng)用中，處理器的功耗和效率將是設(shè)計的關(guān)鍵考量。

還必須決定選用哪種存儲器架構(gòu)。主要處理器都有哪種接口？是否會更頻繁地訪問某些(相對其它)存儲內(nèi)容？若在內(nèi)容訪問頻率上有別，則兩級系統(tǒng)也許是最好選擇。為滿足應(yīng)用需要，需快速訪問存儲器嗎？若是，則也許需要一個專門的存儲器控制器。系統(tǒng)需自動辯識連接的存儲器類型并實時匹合其接口標(biāo)準(zhǔn)嗎？重申：外接一個自適應(yīng)控制器將支持該特性。

一般來說，影響處理器選擇的是最終應(yīng)用的設(shè)計需求而非那款特定處理器支持的存儲器接口。最終應(yīng)用需求也將影響存儲器的選擇。這樣，在處理器和存儲器間的接口可有幾千種選擇。

在下一步開發(fā)前，設(shè)計師需測試幾種不同的存儲方案以確證概念。當(dāng)需將處理器上可用接口與最佳存儲器方案結(jié)合起來時，采用FPGA作為接口方案可提供完全的靈活性。

選擇存儲器接口平臺

存儲器實現(xiàn)的下一步取決于處理器和應(yīng)用。存儲器領(lǐng)域的許多處理器制造商為簡化其特定處理器的使用都提供完整開發(fā)平臺。每塊處理器板都帶有一組標(biāo)準(zhǔn)接口，但這種接口可能與所選存儲技術(shù)所需的不匹配。

處理器開發(fā)板應(yīng)有一個標(biāo)準(zhǔn)擴展接口，該接口是為開發(fā)支持附加外設(shè)功能的子卡以及允許用一個處理器*估多個協(xié)議而專門設(shè)計的。在選用一塊母板生成原型后，當(dāng)選擇存儲器接口時，一塊帶內(nèi)置FPGA的子卡將帶來不需再購買多個子卡的靈活性。

在處理器擴展卡上，有兩種FPGA用法。第一種，通過增加與存儲器現(xiàn)有槽兼容的額外存儲器槽來擴展固有的外設(shè)支持。第二種，增加處理器沒有的接口實現(xiàn)非固有的外設(shè)支持。

圖2顯示的是飛思卡爾的i.MX27多媒體開發(fā)平臺。i.MX27處理器鎖定的是諸如視頻安全和基于因特網(wǎng)協(xié)議的音視頻傳輸?shù)纫曨l應(yīng)用。該處理器還有豐富的多種接口以滿足大多數(shù)應(yīng)用。

供應(yīng)商想為該開發(fā)平臺增加其它一些存儲器接口。為支持非固有外設(shè)選用的基于閃存的FPGA直接連接i.MX27處理器的地址和數(shù)據(jù)總線。與飛思卡爾的i.MX27一道，F(xiàn)PGA通過自帶的SD/MMC和CE-ATA協(xié)議接口還支持SD Card和Micro Hard Drive存儲介質(zhì)的使用。

當(dāng)需驗證概念時，一款可支持全部可能接口的存儲器卡就很有用。理想情況是，該卡可識別插接的存儲器種類并選擇FPGA與處理器連接的合適接口。借助該先進的自動連接特性，設(shè)計師不必了解如何為每一種設(shè)備編程FPGA。但，設(shè)計師可為其最終應(yīng)用*估所選的協(xié)議。為進行*估還可將一塊通用存儲器卡與多個處理器一起使用。

利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)板可節(jié)省幾個月的開發(fā)時間并降低制造成本。在不占用原型系統(tǒng)資源的條件下，通過實施第一輪設(shè)備選擇以及可能的設(shè)備減除，可在決定最終架構(gòu)前*估多個處理器和接口標(biāo)準(zhǔn)。

功耗測量

對低功耗便攜應(yīng)用來說，最好以充分考慮了低功耗要求的開發(fā)平臺為起點。一般來說，這些系統(tǒng)已經(jīng)采用了低功耗元器件從而免去了以后所需的某些設(shè)計優(yōu)化工作。

全面的開發(fā)平臺將提供原理圖和詳細的元材料清單(BOM)，當(dāng)考慮設(shè)計的最終布局及選用器部件時，要仔細研究這些圖表。當(dāng)為低功耗便攜式應(yīng)用選擇最佳開發(fā)平臺和子卡時，可測量整個系統(tǒng)或單個器部件功耗的能力也是個關(guān)鍵考慮。

在選好處理器、存儲器種類和IP后，低功耗存儲器實現(xiàn)的下一步是確定得出的系統(tǒng)是否真是低功耗的？在此，可用FPGA存儲器擴展接口卡測量功耗。

利用板上跳線可進行每個測量。為測量板上的任意部分，需關(guān)閉設(shè)備、拿掉跳線、連接萬用表，然后再給系統(tǒng)上電。為在下列位置實施測量可隔絕電源：FPGA核電流測量有助于*估IP功率使用并演示FPGA可用的靈活功耗優(yōu)化模式。需注意的是：使用中的FPGA可工作于1.5或1.2V核電壓，所以，請確保計算功率時采用的是正確電壓。兩個額外跳線允許測量3.3V(穩(wěn)壓器輸出)條件下的電流。FPGA的任一組I/O都可工作于不同電壓，從而支持獨立測量各組I/O的電流。

為支持這些測量，系統(tǒng)在任一特定時刻通過LED傳遞正執(zhí)行的是哪個功能的信息。它還顯示操作中的電壓和模式。

除在板級測量功率外，通過軟件分析工具測量器件級功率的能力也很重要。許多供應(yīng)商利用功率計算器進行分析。在此，可輸入寄存器和時鐘頻率以提供功率值。

對設(shè)計進行綜合然后借助智能功率分析工具(采用IP尤其方便)可實現(xiàn)更準(zhǔn)確的測量。這些工具*估設(shè)備各個架構(gòu)特性、各個電源和各個I/O組群的功率使用。隨著功率分析工具精度的改進以及設(shè)計師學(xué)著信任這些結(jié)果，從而進一步縮短了設(shè)計周期。

多存儲器開發(fā)平臺*估每一存儲器接口的功率使用并演示了休眠模式。當(dāng)器件進入休眠模式(如FlashFreeze)時，需對系統(tǒng)進行測試以確保喚醒接口的命令時序上是正確的。此舉將確保接口是完全打開的并在需要時可投入工作。

借助基于閃存的FPGA，當(dāng)需要時，F(xiàn)lashFreeze技術(shù)允許FPGA立即就位，且存儲器和寄存器內(nèi)容保持不變。若你用的是SRAM FPGA，則一定要留出足夠時間(150ms左右)以喚醒并配置FPGA。這種程度的時間延遲對某些應(yīng)用會是個制約因素，所以應(yīng)對其進行的測試屬于系統(tǒng)概念確證的一部分。

隨著FPGA技術(shù)變得更加先進，F(xiàn)PGA方案最終會提供便攜式設(shè)備所需的低功耗特性。另外，作為天生的可編程方案，它們還可提供便攜式設(shè)備設(shè)計師為適應(yīng)當(dāng)今手持設(shè)備使用的實際上數(shù)百種之多的處理器和存儲器接口組合所需的不斷增加的靈活性。

基于閃存的FPGA與用于在各開發(fā)階段便于功率管理的完善開發(fā)平臺和軟件分析工具結(jié)合起來將為延長便攜式設(shè)備的電池壽命助一臂之力。借助FPGA，設(shè)計師在繼續(xù)滿足當(dāng)今消費者不同需求的同時，還可顯著縮短其產(chǎn)品上市時間并降低開發(fā)成本。（Actel公司）