采用基于FPGA的SoC進(jìn)行數字顯示系統設計

系統級芯片(SoC)可采用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或專(zhuān)用集成電路(ASIC)兩種方式實(shí)現。目前業(yè)界通常將處理器、邏輯單元和存儲器等系統嵌入FPGA中構成靈活的SoC解決方案，本文以Virtex-II系列Platform FPGA為例，說(shuō)明采用FPGA方案進(jìn)行數字顯示系統設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統級芯片(SoC)解決方案被譽(yù)為半導體業(yè)最重要的發(fā)展之一，目前，從數字手機和數字電視等消費類(lèi)電子產(chǎn)品到高端通信LAN/WAN設備中，這一器件隨處可見(jiàn)。過(guò)去，為了創(chuàng )建此類(lèi)嵌入式系統，設計工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲器等三種硬件中進(jìn)行選擇，而現在這些器件已合并為單一的SoC解決方案。

SoC面臨的挑戰

嵌入式系統SoC可采用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或專(zhuān)用集成電路(ASIC)實(shí)現。開(kāi)發(fā)新型SoC器件需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題包括：新的設計工具、先進(jìn)的工藝技術(shù)及半導體IP。盡管在技術(shù)上十分先進(jìn)，基于A(yíng)SIC的SoC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著(zhù)挑戰，甚至會(huì )因此難以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問(wèn)題和挑戰：

1. 系統復雜性不斷增加，因此更容易引起設計錯誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會(huì )導致成本上升。

2. 上市時(shí)間壓力更大?？s短上市時(shí)間面臨著(zhù)許多內部及外部壓力要求，因為現在的設計方法仍然按照傳統ASIC時(shí)間進(jìn)度實(shí)施。

3. 產(chǎn)品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產(chǎn)品進(jìn)行設計復用的要求更強了。

4. 多種業(yè)界標準并存。各種新的業(yè)界標準不斷產(chǎn)生和更新，因此產(chǎn)品難以與業(yè)界標準的變化保持同步。

5. 可用于不同產(chǎn)品的設計靈活性較差。

6. 可重配置及現場(chǎng)升級性能缺乏。

現在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于A(yíng)SIC的SoC無(wú)法完成的任務(wù)和挑戰，如現場(chǎng)升級、減少產(chǎn)品上市時(shí)間、滿(mǎn)足不斷出現和更新的標準要求?；贔PGA的SoC設計可用于多種場(chǎng)合，其中從ASIC向FPGA轉型中受益最多的應用包括：

1. 通信及網(wǎng)絡(luò )：網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)基礎設施。

2. 數據處理：服務(wù)器及存儲設備。

3. 消費類(lèi)電子產(chǎn)品：數字機頂盒、數字電視和個(gè)人攝像機。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢;而FPGA則在上市時(shí)間、建模時(shí)間及升級能力上稍勝一籌，這些是權衡設計中FPGA和ASIC取舍的基本依據。與ASIC相比，FPGA最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內部互聯(lián)來(lái)實(shí)現編程。由于A(yíng)SIC所用的晶體管數較少，因此就這一方面而言，ASIC的器件成本通常比FPGA要低。不過(guò)，根據摩爾定律所述，FPGA和ASIC在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。如圖1所示，芯片內連技術(shù)，如采用更多金屬層及銅連線(xiàn)，有助于縮小FPGA和ASIC之間的成本、密度及性能差距。此外，在計算基于A(yíng)SIC或FPGA的SoC成本時(shí)，除了生產(chǎn)成本外，設計開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間和經(jīng)費也是一項重要的考慮因素。

Xilinx的可編程邏輯器件的發(fā)展過(guò)程。FPGA最初僅提供簡(jiǎn)單的邏輯解決方案組合，然后發(fā)展為Platforms FPGA，在功能及總成本上均為系統結構設計工程師提供了極大價(jià)值?，F在，從網(wǎng)絡(luò )設備到高端消費類(lèi)器件，FPGA均開(kāi)始了大批量生產(chǎn)。下面以Platform FPGA方案為例，說(shuō)明基于FPGA的SoC方案的特點(diǎn)。

Platform FPGA解決方案

Platform FPGA是高性能的SoC解決方案，下面對其特點(diǎn)進(jìn)行概要介紹。

A. Platform FPGA模型