為保持“連通和觸控”，消費(fèi)者越來(lái)越依賴其便攜設(shè)備。這些設(shè)備包括智能手機(jī)、個(gè)人媒體播放機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)以及新出現(xiàn)的電子筆記本等。當(dāng)今的手持設(shè)備有多項(xiàng)功用，基于最終應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)這些功用對(duì)存儲(chǔ)、特性和技術(shù)等方面都提出了挑戰(zhàn)。

同時(shí)，便攜式設(shè)計(jì)師面臨更大的上市時(shí)間和成本壓力，在對(duì)價(jià)格敏感的消費(fèi)品市場(chǎng)，他們要竭盡所能奉獻(xiàn)新特性并要與迅速發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)俱進(jìn)。使問(wèn)題更棘手的是，在提供全部這些特性的同時(shí)還要不犧牲電池壽命。

傳統(tǒng)上，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)被認(rèn)為是使設(shè)計(jì)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(shù)曾僅限用于原型生成。

但在過(guò)去幾年，設(shè)計(jì)進(jìn)步業(yè)已使FPGA進(jìn)入大批量便攜式設(shè)計(jì)。另外，新出現(xiàn)的方案幫助設(shè)計(jì)師降低了成本并延長(zhǎng)了電池使用時(shí)間。例如，基于閃存的FPGA方案，就省去了高功耗的配置存儲(chǔ)器并沒(méi)有了基于SRAM方案所產(chǎn)生的漏電流。

現(xiàn)已有靜態(tài)和主動(dòng)/動(dòng)態(tài)功耗分別低至5mW和25mW的FPGA，該指標(biāo)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(shè)計(jì)師可借助基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)。這使OEM可在單一一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)上根據(jù)不同的價(jià)格目標(biāo)來(lái)增加或削減特性。使軟硬件設(shè)計(jì)成本分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)產(chǎn)品型號(hào)的能力為便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師帶來(lái)更大的規(guī)模效益。

便攜式設(shè)備的存儲(chǔ)器要求

當(dāng)今便攜式設(shè)備日益增加的數(shù)字內(nèi)容對(duì)存儲(chǔ)容量提出了更高要求。因此，在這樣一個(gè)電子設(shè)備中便攜式存儲(chǔ)器將占功耗的一大部分。

在從硬盤(pán)到閃存的便攜式存儲(chǔ)應(yīng)用中都可借助FPGA來(lái)降低成本、增加靈活性并延長(zhǎng)電池壽命。運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的應(yīng)用處理器具有預(yù)先設(shè)定的接口，從而一般不能適應(yīng)迅速變化的市場(chǎng)需求。因此，在如下這些領(lǐng)域迫切需要FPGA所提供的靈活性，這些領(lǐng)域包括：存儲(chǔ)器、處理器橋、控制器以及連通接口。在這些應(yīng)用中，基于閃存的FPGA可在支持多種存儲(chǔ)器接口標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)降低功耗。

大體上分為閃存和硬盤(pán)的多種存儲(chǔ)方案可用在目前日益增多的電子設(shè)備中。諸如錄像機(jī)等需要大容量硬盤(pán)方案的便攜產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的集成設(shè)備電子(IDE)控制器。第二種是消費(fèi)電子ATA(CE-ATA)控制器，它是用于類似便攜式媒體播放機(jī)和手持產(chǎn)品等小體積設(shè)備的公共標(biāo)準(zhǔn)。

閃存的應(yīng)用也在擴(kuò)展，從而拉動(dòng)了另一類存儲(chǔ)器接口的發(fā)展。包括SD以及非常小巧且可移動(dòng)的CF方案在內(nèi)的多個(gè)存儲(chǔ)卡格式(加之NAND閃存控制器)是閃存市場(chǎng)使用的主要接口。

根據(jù)特定應(yīng)用，手持設(shè)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(wú)論哪種方式，半導(dǎo)體方案必須提供實(shí)施任意數(shù)量接口選項(xiàng)的靈活性。

過(guò)去，應(yīng)用處理器僅支持一組經(jīng)過(guò)篩選的存儲(chǔ)器接口。但，將應(yīng)用處理器與超低功耗FPGA結(jié)合起來(lái)使用是手持設(shè)計(jì)的一個(gè)新趨勢(shì)，其中利用FPGA來(lái)提供橋接功能并擴(kuò)展處理器的存儲(chǔ)器接口支持(圖1)。

存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，重要的是首先要全力選好基本架構(gòu)。首要問(wèn)題是，選用哪款處理器？在競(jìng)爭(zhēng)激烈的便攜市場(chǎng)，通常有幾款領(lǐng)先的處理器可供選擇。設(shè)計(jì)師的選擇常常受到多個(gè)因素的影響，這些因素包括性能、體積、功率和功耗等技術(shù)要求及采用那款處理器的早先設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等方方面面。

因此，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)*估其設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)是基于以前的架構(gòu)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(shè)計(jì)要求低功耗嗎？當(dāng)然，在便攜式應(yīng)用中，處理器的功耗和效率將是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量。

還必須決定選用哪種存儲(chǔ)器架構(gòu)。主要處理器都有哪種接口？是否會(huì)更頻繁地訪問(wèn)某些(相對(duì)其它)存儲(chǔ)內(nèi)容？若在內(nèi)容訪問(wèn)頻率上有別，則兩級(jí)系統(tǒng)也許是最好選擇。為滿足應(yīng)用需要，需快速訪問(wèn)存儲(chǔ)器嗎？若是，則也許需要一個(gè)專門(mén)的存儲(chǔ)器控制器。系統(tǒng)需自動(dòng)辯識(shí)連接的存儲(chǔ)器類型并實(shí)時(shí)匹合其接口標(biāo)準(zhǔn)嗎？重申：外接一個(gè)自適應(yīng)控制器將支持該特性。

一般來(lái)說(shuō)，影響處理器選擇的是最終應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求而非那款特定處理器支持的存儲(chǔ)器接口。最終應(yīng)用需求也將影響存儲(chǔ)器的選擇。這樣，在處理器和存儲(chǔ)器間的接口可有幾千種選擇。

在下一步開(kāi)發(fā)前，設(shè)計(jì)師需測(cè)試幾種不同的存儲(chǔ)方案以確證概念。當(dāng)需將處理器上可用接口與最佳存儲(chǔ)器方案結(jié)合起來(lái)時(shí)，采用FPGA作為接口方案可提供完全的靈活性。

選擇存儲(chǔ)器接口平臺(tái)

存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的下一步取決于處理器和應(yīng)用。存儲(chǔ)器領(lǐng)域的許多處理器制造商為簡(jiǎn)化其特定處理器的使用都提供完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)。每塊處理器板都帶有一組標(biāo)準(zhǔn)接口，但這種接口可能與所選存儲(chǔ)技術(shù)所需的不匹配。

處理器開(kāi)發(fā)板應(yīng)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口，該接口是為開(kāi)發(fā)支持附加外設(shè)功能的子卡以及允許用一個(gè)處理器*估多個(gè)協(xié)議而專門(mén)設(shè)計(jì)的。在選用一塊母板生成原型后，當(dāng)選擇存儲(chǔ)器接口時(shí)，一塊帶內(nèi)置FPGA的子卡將帶來(lái)不需再購(gòu)買(mǎi)多個(gè)子卡的靈活性。

在處理器擴(kuò)展卡上，有兩種FPGA用法。第一種，通過(guò)增加與存儲(chǔ)器現(xiàn)有槽兼容的額外存儲(chǔ)器槽來(lái)擴(kuò)展固有的外設(shè)支持。第二種，增加處理器沒(méi)有的接口實(shí)現(xiàn)非固有的外設(shè)支持。

圖2顯示的是飛思卡爾的i.MX27多媒體開(kāi)發(fā)平臺(tái)。i.MX27處理器鎖定的是諸如視頻安全和基于因特網(wǎng)協(xié)議的音視頻傳輸?shù)纫曨l應(yīng)用。該處理器還有豐富的多種接口以滿足大多數(shù)應(yīng)用。

供應(yīng)商想為該開(kāi)發(fā)平臺(tái)增加其它一些存儲(chǔ)器接口。為支持非固有外設(shè)選用的基于閃存的FPGA直接連接i.MX27處理器的地址和數(shù)據(jù)總線。與飛思卡爾的i.MX27一道，F(xiàn)PGA通過(guò)自帶的SD/MMC和CE-ATA協(xié)議接口還支持SD Card和Micro Hard Drive存儲(chǔ)介質(zhì)的使用。

當(dāng)需驗(yàn)證概念時(shí)，一款可支持全部可能接口的存儲(chǔ)器卡就很有用。理想情況是，該卡可識(shí)別插接的存儲(chǔ)器種類并選擇FPGA與處理器連接的合適接口。借助該先進(jìn)的自動(dòng)連接特性，設(shè)計(jì)師不必了解如何為每一種設(shè)備編程FPGA。但，設(shè)計(jì)師可為其最終應(yīng)用*估所選的協(xié)議。為進(jìn)行*估還可將一塊通用存儲(chǔ)器卡與多個(gè)處理器一起使用。

利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)板可節(jié)省幾個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低制造成本。在不占用原型系統(tǒng)資源的條件下，通過(guò)實(shí)施第一輪設(shè)備選擇以及可能的設(shè)備減除，可在決定最終架構(gòu)前*估多個(gè)處理器和接口標(biāo)準(zhǔn)。

功耗測(cè)量

對(duì)低功耗便攜應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最好以充分考慮了低功耗要求的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為起點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這些系統(tǒng)已經(jīng)采用了低功耗元器件從而免去了以后所需的某些設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

全面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)將提供原理圖和詳細(xì)的元材料清單(BOM)，當(dāng)考慮設(shè)計(jì)的最終布局及選用器部件時(shí)，要仔細(xì)研究這些圖表。當(dāng)為低功耗便攜式應(yīng)用選擇最佳開(kāi)發(fā)平臺(tái)和子卡時(shí)，可測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)器部件功耗的能力也是個(gè)關(guān)鍵考慮。

在選好處理器、存儲(chǔ)器種類和IP后，低功耗存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的下一步是確定得出的系統(tǒng)是否真是低功耗的？在此，可用FPGA存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口卡測(cè)量功耗。

利用板上跳線可進(jìn)行每個(gè)測(cè)量。為測(cè)量板上的任意部分，需關(guān)閉設(shè)備、拿掉跳線、連接萬(wàn)用表，然后再給系統(tǒng)上電。為在下列位置實(shí)施測(cè)量可隔絕電源：FPGA核電流測(cè)量有助于*估IP功率使用并演示FPGA可用的靈活功耗優(yōu)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(qǐng)確保計(jì)算功率時(shí)采用的是正確電壓。兩個(gè)額外跳線允許測(cè)量3.3V(穩(wěn)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(dú)立測(cè)量各組I/O的電流。

為支持這些測(cè)量，系統(tǒng)在任一特定時(shí)刻通過(guò)LED傳遞正執(zhí)行的是哪個(gè)功能的信息。它還顯示操作中的電壓和模式。

除在板級(jí)測(cè)量功率外，通過(guò)軟件分析工具測(cè)量器件級(jí)功率的能力也很重要。許多供應(yīng)商利用功率計(jì)算器進(jìn)行分析。在此，可輸入寄存器和時(shí)鐘頻率以提供功率值。

對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合然后借助智能功率分析工具(采用IP尤其方便)可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量。這些工具*估設(shè)備各個(gè)架構(gòu)特性、各個(gè)電源和各個(gè)I/O組群的功率使用。隨著功率分析工具精度的改進(jìn)以及設(shè)計(jì)師學(xué)著信任這些結(jié)果，從而進(jìn)一步縮短了設(shè)計(jì)周期。

多存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)平臺(tái)*估每一存儲(chǔ)器接口的功率使用并演示了休眠模式。當(dāng)器件進(jìn)入休眠模式(如FlashFreeze)時(shí)，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試以確保喚醒接口的命令時(shí)序上是正確的。此舉將確保接口是完全打開(kāi)的并在需要時(shí)可投入工作。

借助基于閃存的FPGA，當(dāng)需要時(shí)，F(xiàn)lashFreeze技術(shù)允許FPGA立即就位，且存儲(chǔ)器和寄存器內(nèi)容保持不變。若你用的是SRAM FPGA，則一定要留出足夠時(shí)間(150ms左右)以喚醒并配置FPGA。這種程度的時(shí)間延遲對(duì)某些應(yīng)用會(huì)是個(gè)制約因素，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行的測(cè)試屬于系統(tǒng)概念確證的一部分。

隨著FPGA技術(shù)變得更加先進(jìn)，F(xiàn)PGA方案最終會(huì)提供便攜式設(shè)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(shè)備設(shè)計(jì)師為適應(yīng)當(dāng)今手持設(shè)備使用的實(shí)際上數(shù)百種之多的處理器和存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)階段便于功率管理的完善開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟件分析工具結(jié)合起來(lái)將為延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命助一臂之力。借助FPGA，設(shè)計(jì)師在繼續(xù)滿足當(dāng)今消費(fèi)者不同需求的同時(shí)，還可顯著縮短其產(chǎn)品上市時(shí)間并降低開(kāi)發(fā)成本。（Actel公司）