用CoolRunner-II CPLD设计便携式手持设备

引言

移动电话、PDA和MP3播放器等便携式消费电子产品的产量通常都非常大。因此，产品设计工程师首先会选择采用AsIc或ASSP以小巧的便携式封装来容纳极强的功能。

这种解决方案不仅能满足功能密集的要求，其功耗往往也令人满意。但是，在消费类电子产品领域变化极为迅速的背景下，各厂商均致力于针对不断变化的技术和市场推出与众不同的解决方案，因此，时间超前的功能不出数月就会过时。

残酷一词常常用来描述竞争的激烈程度。错误既不可容忍又代价高昂，然而，ASSP的选择或ASIC的设计几乎不可能每次都正确。所以，对于厂商来说，缓解这种局势对于保持市场份额至关重要。

如今的设计工程师已不仅仅着眼于一成不变的ASIC和ASSP架构，而更看重可编程逻辑所固有的设计灵活性和可尽快上市的优越性。Xilinx公司的CoolRunner-IICPLD具有低成本和低功耗优势，为便携式设备设计工程师提供了富有生命力的、可以取代标准单元技术的解决方案。

2001年以来，CoolRunner-IICPLD系列产品为设计工程师提供的价位低到足以与分立逻辑器件的价位媲美，使设计工程师能够在单个封装中轻松地实现大量逻辑功能。本文将讲述如何使用CoolRunner-II CPLD实现低成本和低功耗的简单可编程逻辑，以突破当今ASIC／ASSP便携式手持设备解决方案的限制。鉴于大多数手持设备都是基于OMAP、Xscale或i.MX的设计，本文将讲述若干具体问题的解决方法。

电平转换

在两种不同电压标准的芯片之间提供接口连接是个常见问题。任何类型的存储器都不能符合所有的电压标准，但微处理器可适应于多种电压。匹配各类标准很简单，使用电平转换器即可；但电平转换器价格昂贵，并且占用面积过大。使用CPLD是较好的解决方案，可显著提高灵活性。所有的CoolRunner-II CPLD都能在两种电压之间进行转换，而有些可以转换多达四种电压。

CoolRunner-II CPLD的I／O组可轻而易举地在单芯片中的1.5V～3.6V范围内转换电压，如图1所示。但这是完全不考虑器件可编程性时的情形。电平转换功能只是整个封装的一部分，也就是说用户同时还能获得一批逻辑、触发器、降功耗资源和I／O缓冲器，而这些往往比电平转换器芯片的价格低。

引脚扩展

一般来说，ASIC引脚越多，则其成本越高。如果逻辑所要求的容量不大，而I／O方面有大容量的要求，那么工程师可能就要为满足引脚的需求而去买用不着的逻辑。解决这个问题的一种方法是增加一个CoolRunner-II CPLD，将其用作引脚扩展器，如图2所示。

基本思路是找出通常以低速运行的GPIO引脚。然后，并不是为其分配ASIC引脚，而是将CoolRunner-II CPLD引脚赋予低速传输的GPIO信号，串行化这些信号，并且通过较少网络引脚将这些信号导入ASIC。串行化／反串行化通过简单而有效的移位来完成，可大大减少高成本ASIC上的引脚。

另一种观点认为，OMAP、Xscale和i.MX处理器具有特定的引脚组合，用来支持供货商认为适宜的应用。CoolRunner-II CPLD引脚扩展允许工程师自行创建具有不同电压组合和附加功能(脉冲、PWM、独立三态控制)的GPIO引脚。

引脚再分配

CPLD提供了当PCB布局出现错误时重新布置引脚的能力。这一特性非常关键，它使得工程师能保持进度，并满足财务和功率预算的要求。设计工程师无需重新设计电路板即可纠正其错误连接，因此可以将产品进度缩短数周到数月之多。

CoolRunner-II CPLD由功能强大的逻辑模块构建而成，其中的可编程逻辑数组可以任意重新分配引脚逻辑。这些器件可通过多次修改来保留引脚布局，同时能够根据需要来针对不同引脚重新分配设计。CoolRunner-II系列的数据手册提供了架构说明，并给出了应用指南索引，这些应用指南的详细内容会帮助工程师理解PLA的价值。

功率控制

上电速度快是CPLD的优点之一。CoolRunner-II CPLD自带配置单元，允许其自行上电并指导其它芯片的后续活动。这其中包括一些功率调节器(可由CoolRunner-II CPLD定序)，以及需要在电路板操作中提前妥善定义的其它控制信号。

降低功耗

所有基于Xscale、OMAP和i.Mx的芯片组都包括某种版本的ARM微处理器。高级RISC机器最初是按照以低功耗运行微处理器的方法开发的。后来，各许可供货商都采纳了自己的方法来进一步降低处理器功耗。典型的降功耗操作包括时钟门控、电压调整，以及旨在减少器件内传输的板上存储器管理。

另外，Symbian这类操作系统在各种节电方法中增加了"功耗意识"模式，以使未使用的资源尽可能处于当前所执行任务的最低功耗模式。这些方法的效果都不错，都可以降低处理器的功耗。但是，降低系统其余部分的功耗已经超出这些方法的范围。

CoolRunner-II CPLD天生就是低功耗器件。更重要的是，CoolRunner-II的特殊功能还可用来降低其它器件的功耗。使用时钟分频器和Xilinx DataGATE技术能够降低设计中许多(如果不是全部)芯片的功耗，如图3所示。关断对其它芯片的供电还可以降低在电路板上传播以及从系统中发散出来的电磁场。这种有效的信号阻断方法有多方面好处。 

逻辑合并

在电路板上安装3个二输入与门、2个三输入或门和1个施密特缓冲器封装会增加材料清单(BOM)、占用功率和成本预算，并降低可靠性。如果将这些分散的逻辑集中到一个整体低功耗CoolRunner-II中，不仅可以解决这些问题，还能把其它未用逻辑直接存储到电路板上，以备将来改进／修改之用。表1列出了逻辑的资源消耗率。

 
结论
CoolRunner-II CPLD正迅速成为低功耗、低成本、高产量的便携式消费产品的标准。本文主要讲述了这种功能强大的产品如何轻而易举地使用OMAP、Xscale和i.MX处理器构建系统。CoolRunner-IICPLD对于许多其它处理器也同样有效，可为其增加功能、降低功耗，并缩短上市时间。