ACTEL FPGA 在便攜式系統中的應用分析

在上世紀最后的十年里，重復可編程邏輯器件大放異彩，在通信行也得到了廣泛的應用，這一時(shí)期FPGA 競爭基本上集中在容量，性能， IO 標準方面。而在便攜應用方面因為FPGA 的高昂的價(jià)格，驚人的功耗基本上很少應用。

然而今天，隨著(zhù)全球環(huán)境惡化， 能源緊缺，各種個(gè)人電子消費產(chǎn)品便攜式設備如MP3播放器, GPS導航儀，個(gè)人移動(dòng)電話(huà) ，游戲機價(jià)格猛烈下降，大量進(jìn)入普通人家庭，能耗問(wèn)題已變得日益重要，更由于產(chǎn)品平臺化，競爭日趨白熱化；產(chǎn)品生命周期的縮短，天文數字般的ASIC 掩模費用，工藝改進(jìn)使得FPGA的功耗降到了可與傳統ASIC 相當的水平，都使可編程器件在消費電子產(chǎn)品中可能找到自己的位置，最近非易失可編程器件的市場(chǎng)領(lǐng)導公司愛(ài)特公司 (Actel) 推出了它的低功耗，低價(jià)格，小封裝的FPGA 產(chǎn)品 Nano IGLOO 和Nano ProASIC3 ，最低功耗為2uW，與競爭對手FPGA相比，功耗僅為其十五分之一。與此同時(shí)，封裝尺寸縮減至3mmx3mm，價(jià)格低于1美元，從而打破FPGA在消費電子領(lǐng)域的最后一個(gè)障礙。

那么可編程器件又是如何適應在消費電子中應用呢？
　
通常都是電池供電的，電池壽命一直以來(lái)都是便攜式電子設備最重要的設計指標之一，在過(guò)去的四十年間，半導體集成電路的發(fā)展基本上遵循摩爾定律，每十八個(gè)月電路容量提高一倍。對應工藝的改進(jìn)，每個(gè)電路單元的功耗也相應減少一半。但由于電子設備功能的增加超過(guò)了功耗降低的速度，總體的來(lái)說(shuō)，消費電子的功耗變的越來(lái)越大，直到現在我們也看不出有什么因素能改變這一趨勢，但另一方面，電池技術(shù)的發(fā)展卻相對緩慢，電池的供電能力并沒(méi)有什么突飛猛進(jìn)，十年前的手機的電池容量主流是700 mAhrs，今日大部分最新的手機電池是1250 mWhrs，但手機與過(guò)去相比，有 MP3、MPEG4 播放功能，有全球定位系統，具有藍牙，有WI-FI，能上網(wǎng)，能收發(fā)電子郵件，能看電子書(shū)，能瀏覽照片，能玩游戲，具有300萬(wàn)像素的攝像頭。在可預知的未來(lái)，還有更多的功能將被集成進(jìn)來(lái)，因此我們只能從器件來(lái)改善，以在滿(mǎn)足不斷增加功能的條件下又能達到不低于過(guò)去的使用時(shí)間。

Actel Nano系列可編程器件，本身是非易失性器件，不需要常規的FPGA的上電配置（圖1），這減少了每次開(kāi)關(guān)機時(shí)電路上電帶來(lái)的功率損失。


圖1

Actel Nano FPGA可工作在1.2V 或1.5V的內核，1.2V 或1.5V 的輸入輸出端口可進(jìn)一步降低功耗，在其獨特的Flash*Freeze 模式下，功耗僅為2uW，同時(shí)能保留電路的內部和端口電平狀態(tài)不變，而進(jìn)入和退出該模式僅需要1 us在該模式下，你無(wú)需圖2中的MOSFET 器件來(lái)關(guān)閉FPGA的內核電壓，但可以獲得與關(guān)掉內核幾乎同樣的節電效果。

圖2

對于大批量生產(chǎn)的消費電子設備，PCB面積大小，組件清單的減少，器件單個(gè)價(jià)格直接影響著(zhù)產(chǎn)品的競爭力，關(guān)系著(zhù)產(chǎn)品的成敗， Actel FPGA器件不需要配置ROM, 不需要上電過(guò)程，在減少了組件清單的同時(shí)，也減少了PCB 面積，而其本身僅占用3mmx3mm；同時(shí)，它的低功耗又降低了對電源模塊以及系統散熱的要求。

消費電子產(chǎn)品壽命的縮短，也給了FPGA用武之地，常規的手機芯片投放時(shí)間需要18個(gè)月左右，同時(shí)也需要數千萬(wàn)美元的掩模費用，而最近的統計表明，大部分中低端手機的壽命已縮短為6個(gè)月左右，一但用戶(hù)需要增加新的應用，若原有的芯片集又沒(méi)有足夠的端口或資源來(lái)利用，客戶(hù)只能坐看機會(huì )喪失，然而通過(guò) Nano FPGA，客戶(hù)就可能在原有芯片集設計的基礎上，在兩個(gè)月內很快的推出擁有新的性能的產(chǎn)品。

FPGA 可以很容易的實(shí)現手機或其它便攜式系統以下功能，如鍵盤(pán)掃描， LCD控制，GPIO 擴展， 電平轉換， LED 控制，手機馬達控制，存儲端口擴展，總線(xiàn)變換，邏輯膠合等，而所有這一切都可以不到一個(gè)美元來(lái)實(shí)現。

比如鍵盤(pán)掃描與常規的CPU 控制實(shí)現相比，不但很容易增加新的鍵盤(pán)按鍵，FPGA實(shí)現也大大減輕了CPU的負擔，而且功耗更優(yōu)化。