消費(fèi)類手持設(shè)備市場(chǎng)正呈跳躍式發(fā)展,。便攜式產(chǎn)品處理能力不斷增加,，所支持的應(yīng)用越來越多,；產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快,，新產(chǎn)品必須滿足上市時(shí)間要求,，以便獲得最大的市場(chǎng)機(jī)會(huì),；產(chǎn)品生命周期的縮短要求縮短開發(fā)周期,，同時(shí)更加強(qiáng)調(diào)可復(fù)用性和可重復(fù)編程能力,。新興手持設(shè)備市場(chǎng)還有一個(gè)有趣的趨勢(shì),，即一個(gè)系列中的每種設(shè)備的出貨量越來越少,，但系列設(shè)備間的定制功能卻越來越多，進(jìn)而有效提升了產(chǎn)品的總出貨量,。這樣,，關(guān)鍵挑戰(zhàn)就變成了如何開發(fā)一個(gè)可廣泛復(fù)用同時(shí)又可定制的系統(tǒng)。

   

 

    與ASIC一樣，供應(yīng)商在FPGA設(shè)計(jì)中也需要應(yīng)對(duì)面積和速度的挑戰(zhàn),。隨著門數(shù)不斷增加,，F(xiàn)PGA需要更大的面積和尺寸來適應(yīng)更多的應(yīng)用，設(shè)計(jì)工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面積,。不斷演進(jìn)的FPGA技術(shù)也給設(shè)計(jì)人員帶來一系列新的挑戰(zhàn),，電源利用率就是其中之一，這對(duì)于為手持或便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)來說是急需解決的問題,。

 

嵌入式系統(tǒng)中的FPGA

 

典型的嵌入式系統(tǒng)由處理器,、存儲(chǔ)器、包括USB,、SPI,、I2C在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)接口以及液晶顯示器,、音頻輸出等外設(shè)組成。設(shè)備的核心仍是處理器和處理器接口,，它們通過板載連線連接到各個(gè)外設(shè),。系統(tǒng)性能主要取決于處理器性能，而處理器通常具有非常標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu),，因而不容易定制,。

 

有時(shí)處理器可能忙于處理來自低速外設(shè)的信息，雖然在這種情況下處理器使用率可能達(dá)到100%,，但并不是在做以微處理器為中心的事務(wù),，而是工作在特別低的性能水平。不管其內(nèi)核頻率是多少,，微處理器必須等待來自低速時(shí)鐘的數(shù)據(jù),。這也會(huì)導(dǎo)致較高的功耗，因?yàn)樘幚砥鞯睦寐适?00%,。其結(jié)果將縮短電池壽命,，并且需要更大的散熱器或風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,。

 

于是,，F(xiàn)PGA在這方面開始發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗鼈兡軓奶幚砥餍遁d許多外設(shè)交互任務(wù),。如圖1所示,，利用標(biāo)準(zhǔn)千兆TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的未壓縮音視頻數(shù)據(jù)流的嵌入式分布系統(tǒng)。它有一個(gè)專用DSP處理器,，這個(gè)處理器通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)總線接口與賽靈思的FPGA相接,，F(xiàn)PGA再連接到各個(gè)低速外設(shè)。

 

圖1：用于音頻/視頻分布系統(tǒng)的FPGA架構(gòu)

 

作為啟動(dòng)開發(fā)套件,，這個(gè)FPGA通過I2S接口連接12位的PCM音頻輸入和12位的PCM音頻輸出,；它還連接視頻編碼器和解碼器，并與I2C從器件和RS232器件進(jìn)行通信,；連接到FPGA的通用I/O很少,。與處理器相連的標(biāo)準(zhǔn)總線工作在高速的66MHz，而音頻外設(shè)工作在低速的1.182MHz,；UART和I2C串行接口分別工作在56.6kHz和100kHz,。由于數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在多個(gè)時(shí)鐘域,，因而只有處理器能配置數(shù)據(jù)流,。

 

在這種情況下，處理器不再與低速外設(shè)交互,，而由FPGA從低速的PCM ADC音頻器件讀取數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)存放在FPGA的內(nèi)部緩存中。處理器可以周期性地從這個(gè)緩存讀取數(shù)據(jù)，或者當(dāng)緩存中有足夠數(shù)據(jù)時(shí),，由FPGA向處理器發(fā)送一個(gè)中斷,。這樣，處理器就有更多的時(shí)間執(zhí)行以處理器為中心的必要工作,，在空閑時(shí)則進(jìn)入睡眠模式,。

功耗問題

 

在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，節(jié)能是最重要的考慮因素,。功耗可以被分成三大類：?jiǎn)?dòng)功耗,、靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。設(shè)計(jì)人員無法控制啟動(dòng)功耗,，而啟動(dòng)功耗在決定電源選型中扮演著重要的角色,。大多數(shù)最大電流值指的就是這個(gè)階段所達(dá)到的值。但靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗是兩個(gè)不同的領(lǐng)域,，通過合理的規(guī)劃和以下正確的指導(dǎo)原則,，使用FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)人員可以在功耗優(yōu)化方面作出顯著改進(jìn)。

 

靜態(tài)功耗是指系統(tǒng)不工作時(shí)仍有電流流過元件時(shí)產(chǎn)生的功耗,，一般由器件偏置電流和漏電流引起,。靜態(tài)功耗也取決于工作電壓，降低工作電壓可以降低靜態(tài)功耗,，但這個(gè)策略并不總是掌握在設(shè)計(jì)人員手中,。設(shè)計(jì)人員能做的是定義合理的架構(gòu)，在這種架構(gòu)下需要使用的資源最少,，同時(shí)盡可能使用資源共享,，并以最高效的方式使用FPGA模塊。

 

減少靜態(tài)功耗的另外一種技術(shù)是在設(shè)計(jì)周期早期進(jìn)行功耗預(yù)估,，改變拓?fù)浠蚴褂貌煌腎P模塊,。例如，賽靈思的xPower Estimator工具這時(shí)就非常有用,，它能很早知道設(shè)計(jì)是否滿足功耗預(yù)算,。早期階段的功耗預(yù)估也許不完全準(zhǔn)確，但作為指導(dǎo)工具確實(shí)很有幫助,。

 

動(dòng)態(tài)功耗是由于FPGA門的一些行為(比如信號(hào)開關(guān))引起的,，當(dāng)兩個(gè)門暫時(shí)導(dǎo)通時(shí)，將產(chǎn)生電流流動(dòng)和電容,。信號(hào)開關(guān)的速度決定了功耗的大小,。影響動(dòng)態(tài)功耗的另外一個(gè)因素是電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)中形成的固有電容。動(dòng)態(tài)功耗是時(shí)鐘頻率,、正在開關(guān)的門數(shù)量和這些門開關(guān)速率的函數(shù),。門扇出和走線上的電容負(fù)載會(huì)增加動(dòng)態(tài)功耗,，并且功耗值正比于電容、電壓和頻率平方的乘積,。

 

設(shè)計(jì)人員對(duì)這種功耗具有最大的控制能力,，他們可以利用許多技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗的最大改善。降低信號(hào)開關(guān)頻率可以使功耗呈指數(shù)式下降,。正如圖1所示,，用于UART的控制邏輯、奇偶校驗(yàn)或幀超限錯(cuò)誤都發(fā)生在速度較低的時(shí)鐘域,。即使門數(shù)沒有減少,，功耗也會(huì)下降。設(shè)計(jì)人員還可以通過降低整體工作頻率(如果可行的話)來減小動(dòng)態(tài)功耗,。例如,，在完成可行性和性能分析后，設(shè)計(jì)人員決定上述設(shè)計(jì)不僅能工作在133MHz,，也能工作在66MHz,。DSP支持這兩種速率，而減小電壓也有助于降低功耗,。

 

另外一種技術(shù)是減少處于工作模式的有效門數(shù),。有時(shí)某部分邏輯雖然在開機(jī)時(shí)被打開和配置，但實(shí)際上不要求做任何事情,。例如,，模擬音頻捕獲單元處于工作狀態(tài)，設(shè)備卻不在執(zhí)行任何數(shù)字SPDIF音頻捕獲,。在這種情況下,，一般的數(shù)字SPDIF音頻捕獲電路仍將執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣、雙相解碼等工作,，因而無謂地浪費(fèi)功率,。如果禁用整個(gè)數(shù)字SPDIF音頻捕獲電路，使電路中不發(fā)生任何信號(hào)開關(guān)動(dòng)作,，那么動(dòng)態(tài)功耗將會(huì)顯著降低,。

 

設(shè)計(jì)人員可以禁用傳送到這部分電路的時(shí)鐘來達(dá)到這個(gè)目的。一種簡(jiǎn)單的做法是將時(shí)鐘信號(hào)與使能信號(hào)相“與(AND)”,，如圖2所示,。如果使能信號(hào)是低電平，那么與門的輸出將保持低電平,。如果使能信號(hào)為高電平,，與門將輸出時(shí)鐘信號(hào)。

 

圖2：一種簡(jiǎn)單的時(shí)鐘選通機(jī)制

 

還可以使用其它方法,。如果可能并且拓?fù)溆种С值脑?，可以通過復(fù)接地址和數(shù)據(jù)線來減少信號(hào)線數(shù)量。在我們這個(gè)例子中,，到視頻編碼器的輸出是16位數(shù)據(jù),，我們可以把它復(fù)接成8位，然后分別在時(shí)鐘的兩個(gè)沿(上升沿和下降沿)發(fā)送出去,。這樣做也能節(jié)省動(dòng)態(tài)功耗,。此外，選擇串行接口代替并行接口也能降低功耗,。使用帶較低電容負(fù)載的LVTTL或LVCMOS I/O也很有用,。

嵌入式處理器

 

將處理器嵌入到FPGA中是手持設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以采用的又一種策略，它可以帶來很多好處,。首先,，減少了定制處理器帶來的上述挑戰(zhàn)。其次,，外設(shè)和處理器之間的交互發(fā)生在FPGA內(nèi)部,，因而可以減少I/O數(shù)量。由于I/O會(huì)消耗相當(dāng)多的功率,，此舉也能達(dá)到一定程度的節(jié)能效果,。賽靈思的Virtex-5版本支持PowerPC 440處理器、硬處理器和MicroBlaze軟處理器,，所有這些處理器都可以被設(shè)計(jì)人員用來創(chuàng)建高端或低端應(yīng)用系統(tǒng),。

 

隨著90m和65nm半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)明，門的尺寸在不斷縮小,，導(dǎo)致靜態(tài)功耗問題越來越突出,，在對(duì)功耗指標(biāo)越來越敏感的今天，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的現(xiàn)象,。由于功耗問題獲得了眾多FPGA供應(yīng)商的重視,，在這個(gè)領(lǐng)域中已出現(xiàn)許多令人興奮的新技術(shù)。低功耗設(shè)計(jì)將決定一個(gè)系統(tǒng)的集成能力有多強(qiáng),，業(yè)界也迫切需要將注重功耗的設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,。

 

 

作者：Rahul V.Shah

 

用戶解決方案總監(jiān)

 

Vishesh Agrawal

 

ASIC設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工程師

 

eInfochips公司