如何在便携式应用中充分发挥FPGA的优势

为保持“连通和触控”，消费者越来越依赖其便携设备。这些设备包括智能手机、个人媒体播放机、数码照相机以及新出现的电子笔记本等。当今的手持设备有多项功用，基于最终应用，为实现这些功用对存储、特性和技术等方面都提出了挑战。

同时，便携式设计师面临更大的上市时间和成本压力，在对价格敏感的消费品市场，他们要竭尽所能奉献新特性并要与迅速发展的标准与时俱进。使问题更棘手的是，在提供全部这些特性的同时还要不牺牲电池寿命。

传统上，现场可编程门阵列(FPGA)被认为是使设计尽快上市的最佳载体。但基于功耗和成本方面的考虑，该技术曾仅限用于原型生成。

但在过去几年，设计进步业已使FPGA进入大批量便携式设计。另外，新出现的方案帮助设计师降低了成本并延长了电池使用时间。例如，基于闪存的FPGA方案，就省去了高功耗的配置存储器并没有了基于SRAM方案所产生的漏电流。

现已有静态和主动/动态功耗分别低至5mW和25mW的FPGA，该指标媲美定制ASIC和专用处理器的功耗。另外，其天生的可编程能力使设计师可借助基于平台的设计。这使OEM可在单一一个基础平台上根据不同的价格目标来增加或削减特性。使软硬件设计成本分摊到多个产品型号的能力为便携式产品设计师带来更大的规模效益。

便携式设备的存储器要求

当今便携式设备日益增加的数字内容对存储容量提出了更高要求。因此，在这样一个电子设备中便携式存储器将占功耗的一大部分。

在从硬盘到闪存的便携式存储应用中都可借助FPGA来降低成本、增加灵活性并延长电池寿命。运行操作系统和应用软件的应用处理器具有预先设定的接口，从而一般不能适应迅速变化的市场需求。因此，在如下这些领域迫切需要FPGA所提供的灵活性，这些领域包括：存储器、处理器桥、控制器以及连通接口。在这些应用中，基于闪存的FPGA可在支持多种存储器接口标准的同时降低功耗。

大体上分为闪存和硬盘的多种存储方案可用在目前日益增多的电子设备中。诸如录像机等需要大容量硬盘方案的便携产品将使用两种控制器中的一种。第一种是基于并行或串行ATA标准的集成设备电子(IDE)控制器。第二种是消费电子ATA(CE-ATA)控制器，它是用于类似便携式媒体播放机和手持产品等小体积设备的公共标准。

闪存的应用也在扩展，从而拉动了另一类存储器接口的发展。包括SD以及非常小巧且可移动的CF方案在内的多个存储卡格式(加之NAND闪存控制器)是闪存市场使用的主要接口。

根据特定应用，手持设备可能采用这些接口的组合也可能仅采用其中一种接口。无论哪种方式，半导体方案必须提供实施任意数量接口选项的灵活性。

过去，应用处理器仅支持一组经过筛选的存储器接口。但，将应用处理器与超低功耗FPGA结合起来使用是手持设计的一个新趋势，其中利用FPGA来提供桥接功能并扩展处理器的存储器接口支持(图1)。

存储系统的实现

当实现存储系统时，重要的是首先要全力选好基本架构。首要问题是，选用哪款处理器？在竞争激烈的便携市场，通常有几款领先的处理器可供选择。设计师的选择常常受到多个因素的影响，这些因素包括性能、体积、功率和功耗等技术要求及采用那款处理器的早先设计经验等方方面面。

因此，设计师必须仔细*估其设计目标。设计是基于以前的架构吗？若是的话，需要与以前兼容吗？工程师有选择他们最熟悉处理器的自由吗？设计要求低功耗吗？当然，在便携式应用中，处理器的功耗和效率将是设计的关键考量。

还必须决定选用哪种存储器架构。主要处理器都有哪种接口？是否会更频繁地访问某些(相对其它)存储内容？若在内容访问频率上有别，则两级系统也许是最好选择。为满足应用需要，需快速访问存储器吗？若是，则也许需要一个专门的存储器控制器。系统需自动辩识连接的存储器类型并实时匹合其接口标准吗？重申：外接一个自适应控制器将支持该特性。

一般来说，影响处理器选择的是最终应用的设计需求而非那款特定处理器支持的存储器接口。最终应用需求也将影响存储器的选择。这样，在处理器和存储器间的接口可有几千种选择。

在下一步开发前，设计师需测试几种不同的存储方案以确证概念。当需将处理器上可用接口与最佳存储器方案结合起来时，采用FPGA作为接口方案可提供完全的灵活性。

选择存储器接口平台

存储器实现的下一步取决于处理器和应用。存储器领域的许多处理器制造商为简化其特定处理器的使用都提供完整开发平台。每块处理器板都带有一组标准接口，但这种接口可能与所选存储技术所需的不匹配。

处理器开发板应有一个标准扩展接口，该接口是为开发支持附加外设功能的子卡以及允许用一个处理器*估多个协议而专门设计的。在选用一块母板生成原型后，当选择存储器接口时，一块带内置FPGA的子卡将带来不需再购买多个子卡的灵活性。

在处理器扩展卡上，有两种FPGA用法。第一种，通过增加与存储器现有槽兼容的额外存储器槽来扩展固有的外设支持。第二种，增加处理器没有的接口实现非固有的外设支持。

图2显示的是飞思卡尔的i.MX27多媒体开发平台。i.MX27处理器锁定的是诸如视频安全和基于因特网协议的音视频传输等视频应用。该处理器还有丰富的多种接口以满足大多数应用。

供应商想为该开发平台增加其它一些存储器接口。为支持非固有外设选用的基于闪存的FPGA直接连接i.MX27处理器的地址和数据总线。与飞思卡尔的i.MX27一道，FPGA通过自带的SD/MMC和CE-ATA协议接口还支持SD Card和Micro Hard Drive存储介质的使用。

当需验证概念时，一款可支持全部可能接口的存储器卡就很有用。理想情况是，该卡可识别插接的存储器种类并选择FPGA与处理器连接的合适接口。借助该先进的自动连接特性，设计师不必了解如何为每一种设备编程FPGA。但，设计师可为其最终应用*估所选的协议。为进行*估还可将一块通用存储器卡与多个处理器一起使用。

利用行业标准开发板可节省几个月的开发时间并降低制造成本。在不占用原型系统资源的条件下，通过实施第一轮设备选择以及可能的设备减除，可在决定最终架构前*估多个处理器和接口标准。

功耗测量

对低功耗便携应用来说，最好以充分考虑了低功耗要求的开发平台为起点。一般来说，这些系统已经采用了低功耗元器件从而免去了以后所需的某些设计优化工作。

全面的开发平台将提供原理图和详细的元材料清单(BOM)，当考虑设计的最终布局及选用器部件时，要仔细研究这些图表。当为低功耗便携式应用选择最佳开发平台和子卡时，可测量整个系统或单个器部件功耗的能力也是个关键考虑。

在选好处理器、存储器种类和IP后，低功耗存储器实现的下一步是确定得出的系统是否真是低功耗的？在此，可用FPGA存储器扩展接口卡测量功耗。

利用板上跳线可进行每个测量。为测量板上的任意部分，需关闭设备、拿掉跳线、连接万用表，然后再给系统上电。为在下列位置实施测量可隔绝电源：FPGA核电流测量有助于*估IP功率使用并演示FPGA可用的灵活功耗优化模式。需注意的是：使用中的FPGA可工作于1.5或1.2V核电压，所以，请确保计算功率时采用的是正确电压。两个额外跳线允许测量3.3V(稳压器输出)条件下的电流。FPGA的任一组I/O都可工作于不同电压，从而支持独立测量各组I/O的电流。

为支持这些测量，系统在任一特定时刻通过LED传递正执行的是哪个功能的信息。它还显示操作中的电压和模式。

除在板级测量功率外，通过软件分析工具测量器件级功率的能力也很重要。许多供应商利用功率计算器进行分析。在此，可输入寄存器和时钟频率以提供功率值。

对设计进行综合然后借助智能功率分析工具(采用IP尤其方便)可实现更准确的测量。这些工具*估设备各个架构特性、各个电源和各个I/O组群的功率使用。随着功率分析工具精度的改进以及设计师学着信任这些结果，从而进一步缩短了设计周期。

多存储器开发平台*估每一存储器接口的功率使用并演示了休眠模式。当器件进入休眠模式(如FlashFreeze)时，需对系统进行测试以确保唤醒接口的命令时序上是正确的。此举将确保接口是完全打开的并在需要时可投入工作。

借助基于闪存的FPGA，当需要时，FlashFreeze技术允许FPGA立即就位，且存储器和寄存器内容保持不变。若你用的是SRAM FPGA，则一定要留出足够时间(150ms左右)以唤醒并配置FPGA。这种程度的时间延迟对某些应用会是个制约因素，所以应对其进行的测试属于系统概念确证的一部分。

随着FPGA技术变得更加先进，FPGA方案最终会提供便携式设备所需的低功耗特性。另外，作为天生的可编程方案，它们还可提供便携式设备设计师为适应当今手持设备使用的实际上数百种之多的处理器和存储器接口组合所需的不断增加的灵活性。

基于闪存的FPGA与用于在各开发阶段便于功率管理的完善开发平台和软件分析工具结合起来将为延长便携式设备的电池寿命助一臂之力。借助FPGA，设计师在继续满足当今消费者不同需求的同时，还可显著缩短其产品上市时间并降低开发成本。（Actel公司）