|
為保持“連通和觸控”，消費者越來越依賴其便攜設備。這些設備包括智能手機、個人媒體播放機、數碼照相機以及新出現的電子筆記本等。當今的手持設備有多項功用，基于最終應用，為實現這些功用對存儲、特性和技術等方面都提出了挑戰。 同時，便攜式設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展的標準與時俱進。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。 傳統上，現場可編程門陣列(FPGA)被認為是使設計盡快上市的最佳載體。但基于功耗和成本方面的考慮，該技術曾僅限用于原型生成。 但在過去幾年，設計進步業已使FPGA進入大批量便攜式設計。另外，新出現的方案幫助設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方案所產生的漏電流。 現已有靜態和主動/動態功耗分別低至5mW和25mW的FPGA，該指標媲美定制ASIC和專用處理器的功耗。另外，其天生的可編程能力使設計師可借助基于平臺的設計。這使OEM可在單一一個基礎平臺上根據不同的價格目標來增加或削減特性。使軟硬件設計成本分攤到多個產品型號的能力為便攜式產品設計師帶來更大的規模效益。 便攜式設備的存儲器要求 當今便攜式設備日益增加的數字內容對存儲容量提出了更高要求。因此，在這樣一個電子設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。運行操作系統和應用軟件的應用處理器具有預先設定的接口，從而一般不能適應迅速變化的市場需求。因此，在如下這些領域迫切需要FPGA所提供的靈活性，這些領域包括：存儲器、處理器橋、控制器以及連通接口。在這些應用中，基于閃存的FPGA可在支持多種存儲器接口標準的同時降低功耗。 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備中。諸如錄像機等需要大容量硬盤方案的便攜產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標準的集成設備電子(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品等小體積設備的公共標準。 閃存的應用也在擴展，從而拉動了另一類存儲器接口的發展。包括SD以及非常小巧且可移動的CF方案在內的多個存儲卡格式(加之NAND閃存控制器)是閃存市場使用的主要接口。根據特定應用，手持設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，半導體方案必須提供實施任意數量接口選項的靈活性。 過去，應用處理器僅支持一組經過篩選的存儲器接口。但，將應用處理器與超低功耗FPGA結合起來使用是手持設計的一個新趨勢，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)。 為保持“連通和觸控”，消費者越來越依賴其便攜設備。這些設備包括智能手機、個人媒體播放機、數碼照相機以及新出現的電子筆記本等。當今的手持設備有多項功用，基于最終應用，為實現這些功用對存儲、特性和技術等方面都提出了挑戰。 同時，便攜式設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展的標準與時俱進。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。 傳統上，現場可編程門陣列(FPGA)被認為是使設計盡快上市的最佳載體。但基于功耗和成本方面的考慮，該技術曾僅限用于原型生成。 但在過去幾年，設計進步業已使FPGA進入大批量便攜式設計。另外，新出現的方案幫助設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方案所產生的漏電流。 現已有靜態和主動/動態功耗分別低至5mW和25mW的FPGA，該指標媲美定制ASIC和專用處理器的功耗。另外，其天生的可編程能力使設計師可借助基于平臺的設計。這使OEM可在單一一個基礎平臺上根據不同的價格目標來增加或削減特性。使軟硬件設計成本分攤到多個產品型號的能力為便攜式產品設計師帶來更大的規模效益。 便攜式設備的存儲器要求 當今便攜式設備日益增加的數字內容對存儲容量提出了更高要求。因此，在這樣一個電子設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。運行操作系統和應用軟件的應用處理器具有預先設定的接口，從而一般不能適應迅速變化的市場需求。因此，在如下這些領域迫切需要FPGA所提供的靈活性，這些領域包括：存儲器、處理器橋、控制器以及連通接口。在這些應用中，基于閃存的FPGA可在支持多種存儲器接口標準的同時降低功耗。 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備中。諸如錄像機等需要大容量硬盤方案的便攜產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標準的集成設備電子(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品等小體積設備的公共標準。 閃存的應用也在擴展，從而拉動了另一類存儲器接口的發展。包括SD以及非常小巧且可移動的CF方案在內的多個存儲卡格式(加之NAND閃存控制器)是閃存市場使用的主要接口。根據特定應用，手持設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，半導體方案必須提供實施任意數量接口選項的靈活性。 過去，應用處理器僅支持一組經過篩選的存儲器接口。但，將應用處理器與超低功耗FPGA結合起來使用是手持設計的一個新趨勢，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)。 存儲系統的實現 當實現存儲系統時，重要的是首先要全力選好基本架構。首要問題是，選用哪款處理器？在競爭激烈的便攜市場，通常有幾款領先的處理器可供選擇。設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、功率和功耗等技術要求及采用那款處理器的早先設計經驗等方方面面。 因此，設計師必須仔細評估其設計目標。設計是基于以前的架構嗎？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？設計要求低功耗嗎？當然，在便攜式應用中，處理器的功耗和效率將是設計的關鍵考量。 還必須決定選用哪種存儲器架構。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)存儲內容？若在內容訪問頻率上有別，則兩級系統也許是最好選擇。為滿足應用需要，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。系統需自動辯識連接的存儲器類型并實時匹合其接口標準嗎？重申：外接一個自適應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用的設計需求而非那款特定處理器支持的存儲器接口。最終應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。 在下一步開發前，設計師需測試幾種不同的存儲方案以確證概念。當需將處理器上可用接口與最佳存儲器方案結合起來時，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 存儲器實現的下一步取決于處理器和應用。存儲器領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平臺。每塊處理器板都帶有一組標準接口，但這種接口可能與所選存儲技術所需的不匹配。 處理器開發板應有一個標準擴展接口，該接口是為開發支持附加外設功能的子卡以及允許用一個處理器評估多個協議而專門設計的。在選用一塊母板生成原型后，當選擇存儲器接口時，一塊帶內置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有槽兼容的額外存儲器槽來擴展固有的外設支持。第二種，增加處理器沒有的接口實現非固有的外設支持。 圖2顯示的是飛思卡爾的i.MX27多媒體開發平臺。i.MX27處理器鎖定的是諸如視頻安全和基于因特網協議的音視頻傳輸等視頻應用。該處理器還有豐富的多種接口以滿足大多數應用。 供應商想為該開發平臺增加其它一些存儲器接口。為支持非固有外設選用的基于閃存的FPGA直接連接i.MX27處理器的地址和數據總線。與飛思卡爾的i.MX27一道，FPGA通過自帶的SD/MMC和CE-ATA協議接口還支持SD Card和Micro Hard Drive存儲介質的使用。 當需驗證概念時，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，設計師不必了解如何為每一種設備編程FPGA。但，設計師可為其最終應用評估所選的協議。為進行評估還可將一塊通用存儲器卡與多個處理器一起使用。 利用行業標準開發板可節省幾個月的開發時間并降低制造成本。在不占用原型系統資源的條件下，通過實施第一輪設備選擇以及可能的設備減除，可在決定最終架構前評估多個處理器和接口標準。 功耗測量 對低功耗便攜應用來說，最好以充分考慮了低功耗要求的開發平臺為起點。一般來說，這些系統已經采用了低功耗元器件從而免去了以后所需的某些設計優化工作。 全面的開發平臺將提供原理圖和詳細的元材料清單(BOM)，當考慮設計的最終布局及選用器部件時，要仔細研究這些圖表。當為低功耗便攜式應用選擇最佳開發平臺和子卡時，可測量整個系統或單個器部件功耗的能力也是個關鍵考慮。 在選好處理器、存儲器種類和IP后，低功耗存儲器實現的下一步是確定得出的系統是否真是低功耗的？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，需關閉設備、拿掉跳線、連接萬用表，然后再給系統上電。為在下列位置實施測量可隔絕電源：FPGA核電流測量有助于評估IP功率使用并演示FPGA可用的靈活功耗優化模式。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，系統在任一特定時刻通過LED傳遞正執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)可實現更準確的測量。這些工具評估設備各個架構特性、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計師學著信任這些結果，從而進一步縮短了設計周期。 多存儲器開發平臺評估每一存儲器接口的功率使用并演示了休眠模式。當器件進入休眠模式(如FlashFreeze)時，需對系統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，當需要時，FlashFreeze技術允許FPGA立即就位，且存儲器和寄存器內容保持不變。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用會是個制約因素，所以應對其進行的測試屬于系統概念確證的一部分。 隨著FPGA技術變得更加先進，FPGA方案最終會提供便攜式設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備設計師為適應當今手持設備使用的實際上數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與用于在各開發階段便于功率管理的完善開發平臺和軟件分析工具結合起來將為延長便攜式設備的電池壽命助一臂之力。借助FPGA，設計師在繼續滿足當今消費者不同需求的同時，還可顯著縮短其產品上市時間并降低開發成本。 |
