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為了保持“聯(lián)系和聯(lián)絡(luò )”，消費者越來(lái)越多地依賴(lài)于他們的便攜式設備，其范圍包括了從智能手機、個(gè)人媒體播放器與數碼相機到新興的解決方案，例如筆記本電腦等。目前的手持設備可為多種應用服務(wù)，并提供了各種不同的功能，這轉而依賴(lài)于終端應用的大容量存儲，眾多的功能以及技術(shù)挑戰。 與此同時(shí)，便攜式設計師承受著(zhù)不斷增加的成本和產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力，在價(jià)格敏感的消費市場(chǎng)中努力提供著(zhù)新的功能并緊跟上快速變化的標準。問(wèn)題的復雜化進(jìn)一步要求在不犧牲電池壽命前提下，提供所有這些功能。 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)歷來(lái)被認為是將設計推向市場(chǎng)的最佳途徑。然而，由于功耗及成本的考量，該技術(shù)的應用范圍已不僅限于原型設計。 然而，在過(guò)去的幾年里，設計進(jìn)步已經(jīng)推動(dòng)FPGA轉向高容量便攜式設備的設計。此外，新興的解決方案正幫助設計師降低成本，并增加電池的壽命。舉例來(lái)說(shuō)，基于Flash的FPGA解決方案，消除了與基于SRAM解決方案有關(guān)的大功耗配置存儲器和泄漏電流。 FPGA的靜態(tài)功耗低至5mW,并且有效/動(dòng)態(tài)功耗低至25mW，其功耗可與定制ASIC和專(zhuān)用處理器相匹敵。此外，其內部可編程性使得設計人員能夠實(shí)現基于平臺的設計。這讓OEM廠(chǎng)商的工作從單一的基礎平臺和增加或去除某些特性轉變?yōu)闈M(mǎn)足多種價(jià)值點(diǎn)。這一能力有效利用了覆蓋多個(gè)產(chǎn)品型號的硬件和軟件設計成本，為便攜式產(chǎn)品設計師產(chǎn)生了更大的規模經(jīng)濟效益。 便攜式存儲的現狀 目前，便攜設備中越來(lái)越多的數字內容，增加了對更大存儲能力的需求。因此，便攜式存儲可能會(huì )占用電子設備中大部份的功耗。 從硬盤(pán)驅動(dòng)器(HDD)到閃存設備，便攜式儲存應用可以利用FPGA來(lái)降低成本，提高靈活性并延長(cháng)電池的壽命。用于運行操作系統(OS)和應用軟件的應用處理器已經(jīng)預定義了接口，通常難以適應瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。 因此，在關(guān)鍵領(lǐng)域中，FPGA可提供更多想要的靈活性，這包括了存儲器、處理器橋和控制器，以及連接接口。在這些應用中，基于Flash的FPGA可以降低功耗，并同時(shí)支持多種存儲器接口標準。 各種存儲解決方案，大致可以分類(lèi)為閃存器件和HDD，其可以用于目前不斷增長(cháng)的大量電子設備中。便攜式產(chǎn)品需要高存儲容量的HDD解決方案，例如視頻錄像機和攝像機，將采用這兩種控制器中的一種。前者是一種集成器件電子(IDE)控制器，基于并行或串行ATA標準。后者是消費電子ATA(CE-ATA)控制器，這是一種小形狀系數設備的共同標準，例如便攜式媒體播放器和手持設備等。 閃存的使用也有所擴大，從而產(chǎn)生了另一套存儲接口。多種存儲卡格式，如安全數字(SD)和超小與可移動(dòng)緊湊式閃存卡(CF)解決方案，與NAND閃存控制器一起是用于閃存市場(chǎng)的主要接口。 手持設備可以使用這些接口的組合或者只需要用于某個(gè)特定應用的一種接口。無(wú)論哪種方式，半導體解決方案必須提供可以實(shí)現任意數量接口選擇的靈活性。 應用處理器傳統上對某些選定的存儲接口提供支持。但是，手持設備設計的新趨勢是將應用處理器與超低功耗FPGA進(jìn)行配對，采用FPGA來(lái)提供橋接功能，并擴大處理器的存儲接口支持(圖1)。 存儲器的實(shí)現 實(shí)現存儲系統時(shí)，最重要的是要極為關(guān)注基本架構的選擇。首先，將采用哪種處理器？在競爭激烈的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)，通常有幾個(gè)領(lǐng)先的候選處理器，設計師的選擇通常受到多種因素的影響，從技術(shù)要求，例如性能、尺寸和功率分布，到過(guò)去采用特定處理器的設計經(jīng)驗。 因此，設計師必須仔細評估其設計目標。該設計是不是依靠先前的架構，因此要求向下兼容？這樣一來(lái)，工程師是否可以靈活選擇他們所采用的最有經(jīng)驗的處理器？設計是否要求低功耗？當然，在便攜式應用中，處理器的功耗和效率將成為這一決定的關(guān)鍵因素。 決定的作出還與存儲器架構有關(guān)。主處理器上有哪些接口？某些存儲項目的存取比其他項目更頻繁嗎？如果存取頻率有差異，雙重系統可能是最佳的。該應用是否需要快速存取存儲器來(lái)滿(mǎn)足應用的需要？如果是的話(huà)，可能需要專(zhuān)用的存儲器控制器。該系統是否需要識別所配的存儲器類(lèi)型，并且與回掃的接口標準相匹配？其次，需要外部可適應控制器來(lái)實(shí)現這一功能。 通常，終端應用的設計要求影響處理器的選擇，而并非特定處理器所支持的存儲接口。存儲器的選擇也將受到終端應用需求的影響。因此，在處理器和存儲器之間，接口的選擇可能有幾十至幾百種。 在進(jìn)一步研發(fā)之前，設計師可能需要測試幾種不同的存儲方案來(lái)實(shí)現概念驗證。對處理器到最佳存儲器解決方案的可能接口進(jìn)行匹配時(shí)，采用FPGA作為接口解決方案，提供了徹底的靈活性。 選擇存儲接口平臺 存儲實(shí)現中的下一步就是處理器和應用的依賴(lài)性。大多數處理器廠(chǎng)商在存儲空間中提供了充分的開(kāi)發(fā)平臺，以方便使用他們的專(zhuān)用處理器平臺。每個(gè)處理器開(kāi)發(fā)板也伴有一套標準接口，但這些接口可能與所選定的存儲技術(shù)的要求并不匹配。 處理器開(kāi)發(fā)板應該有一個(gè)標準的擴展頭，專(zhuān)門(mén)設計用來(lái)開(kāi)發(fā)子插件板，其支持更多的外圍設備，以及對相同處理器的多種存儲協(xié)議進(jìn)行評價(jià)。以選定的主板為原型，選擇存儲接口而不必購買(mǎi)多個(gè)子插件板時(shí)，具備板載FPGA的子插件板更具靈活性。 FPGA在處理器擴展卡上可采用以下兩種方式之一。第一種方法是通過(guò)增加額外的存儲器插槽擴展對原有外設的支持，該插槽還兼容處理器上已有的插槽。第二種方法是能夠提供非原有外設的支持，增加處理器上并不能提供的接口。 圖2表示了飛思卡爾公司i.MX27多媒體開(kāi)發(fā)平臺。i.MX27處理器主要是針對視頻應用，如視頻安全以及通過(guò)IP傳輸視頻或語(yǔ)音。該處理器還具有廣泛的接口來(lái)滿(mǎn)足大多數應用。 在這一開(kāi)發(fā)平臺中，供應商想要向該平臺增加一些其他存儲器接口。要選擇非原有的外設支持的話(huà)，基于閃存的FPGA可直接連接到i.MX27處理器的地址和數據總線(xiàn)。通過(guò)自身的SD/MMC和CE-ATA協(xié)議接口，FPGA也能夠與飛思卡爾處理器一起使用SD卡和微硬盤(pán)(Micro Hard Drive)存儲介質(zhì)。 當需要進(jìn)行概念證明時(shí)，有必要有一張存儲卡，這種卡可以支持所有可能的接口。理想情況下，開(kāi)發(fā)板應該能夠識別所插入存儲器的類(lèi)型，并選擇從FPGA到該處理器的正確接口。由于具有成熟的自動(dòng)連接功能，設計師不需要知道如何針對每個(gè)設備對FPGA進(jìn)行編程。但是，設計師可以對其終端應用所選定的協(xié)議進(jìn)行評估。通用存儲卡也可用于對多種處理器進(jìn)行評價(jià)。 采用業(yè)界標準的開(kāi)發(fā)板可以節省幾個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低生產(chǎn)成本。通過(guò)進(jìn)行第一輪的器件選型，并且可能實(shí)現去掉某些器件而無(wú)需在原型系統上浪費資源，在交付最終架構之前，可能要對多種處理器和接口標準進(jìn)行評價(jià)。 功耗測量 對低功耗便攜式應用，最好一開(kāi)始就謹記對開(kāi)發(fā)平臺采用低功耗設計。通常，這些平臺已經(jīng)采用低功耗器件來(lái)消除一些稍后所需要的額外設計優(yōu)化。 綜合開(kāi)發(fā)平臺將提供電路圖和材料清單(BOM)的詳細信息，考慮最終設計所采用的版圖和器件時(shí)，應該對其進(jìn)行認真研究。當為你的低功耗便攜式應用選擇最佳的開(kāi)發(fā)平臺和子插件板時(shí)，對功耗進(jìn)行測量的能力也是一個(gè)關(guān)鍵的方面，無(wú)論是對整個(gè)系統還是對個(gè)別器件的功耗進(jìn)行測量。 已經(jīng)選定了處理器、存儲器類(lèi)型和IP，低功耗存儲實(shí)現的下一階段就是要確定最后所得到的系統是否真的是低功耗。在這種情況下，FPGA存儲擴展接口卡可用來(lái)測量功耗。 每次測量都盡可能使用板載跳線(xiàn)。要測量板子上的任何位置，有必要關(guān)閉器件，清除跳線(xiàn)，連接萬(wàn)用表，然后，對系統上電。功耗可以分為以下位置： FPGA內核電流的測量用于評價(jià)IP功耗的使用，并且說(shuō)明了可用于FPGA的靈活地功率優(yōu)化模式。注意的是，所采用的FPGA可能工作在1.5或1.2V核心電壓，所以一定要計算所使用的正確電壓的功耗。 另外兩個(gè)跳線(xiàn)在3.3V整流器電源電壓下對電流進(jìn)行測量。 FPGA上的每個(gè)I/O庫可以工作在不同的電壓下，使得電流的測量是彼此獨立地。 為了協(xié)助這些測量，系統在任何特定時(shí)間所操作的功能都通過(guò)LED進(jìn)行通訊。它還顯示了所操作的電壓和模式。 除在板級測量功耗外，在器件級通過(guò)軟件分析工具測量功耗的能力也是非常重要的。大多數廠(chǎng)商使用功率計算器進(jìn)行分析。在這里，寄存器的數量和時(shí)鐘頻率的大小可以用于提供功耗的值。 采用IP進(jìn)行更方便、準確的測量，涉及到綜合設計，然后通過(guò)智能功率分析工具進(jìn)行測試。這些工具審查每個(gè)器件結構特性、每個(gè)電源和每個(gè)I/O庫的功耗使用情況。由于功耗分析工具精度的提高以及設計師學(xué)會(huì )信任這些結果，還可以進(jìn)一步縮短設計周期時(shí)間。 多種存儲器開(kāi)發(fā)平臺評估了每個(gè)存儲器接口的功耗使用情況，并對睡眠模式(圖3)進(jìn)行了示范。當一個(gè)器件進(jìn)入睡眠模式，如FlashFreeze，該系統需要進(jìn)行測試以確保對喚醒接口命令進(jìn)行正確定時(shí)。這將確保在需要時(shí)該接口完全啟動(dòng)和運行。 對基于Flash的FPGA，FlashFreeze技術(shù)允許FPGA時(shí)刻準備應對需要，并且存儲器和寄存器的內容不變。如果你使用SRAM FPGA，必須給出足夠的時(shí)間(大約150ms)，以便使FPGA能夠喚醒，并重新配置。如此巨大的時(shí)間延遲在某些應用中可能成為一個(gè)限制因素，并應作為該系統概念證明的一部分來(lái)進(jìn)行測試。 由于FPGA技術(shù)愈來(lái)愈成熟，FPGA解決方案最終可以滿(mǎn)足便攜式設備所需的低功耗要求。此外，由于內在的可編程解決方案，其還可以提供便攜式設計師所要求的更大靈活性，從而適應今天手持設備市場(chǎng)不斷發(fā)展的幾乎數以百計的處理器和存儲器接口的組合應用。 綜合開(kāi)發(fā)平臺和軟件分析工具相結合方便了每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的功率測量，基于Flash的FPGA在便攜式產(chǎn)品中提供了延長(cháng)電池壽命的手段。采用FPGA產(chǎn)品，設計師可以顯著(zhù)降低其產(chǎn)品的上市時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本，與此同時(shí)，繼續滿(mǎn)足當今消費者的多樣化需求。 |
