利用FPGA解決手持設備MPU功耗問(wèn)題

　　為應對上述挑戰，越來(lái)越多的設計人員開(kāi)始使用FPGA進(jìn)行手持產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。FPGA的功能日益強大和豐富，而門(mén)數、面積和頻率也在不斷增加。FPGA的開(kāi)發(fā)和周轉時(shí)間要比定制ASIC短得多，可重復編程的額外優(yōu)勢使得FPGA成為手持嵌入式系統領(lǐng)域中頗具吸引力的解決方案。在基于A(yíng)SIC或FPGA的設計中，設計人員必須認真考慮某些性能標準，他們面臨的挑戰主要體現在面積、速度和功耗方面。

　　與ASIC一樣，供應商在FPGA設計中也需要應對面積和速度的挑戰。隨著(zhù)門(mén)數不斷增加，FPGA需要更大的面積和尺寸來(lái)適應更多的應用，設計工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面積。不斷演進(jìn)的FPGA技術(shù)也給設計人員帶來(lái)一系列新的挑戰，電源利用率就是其中之一，這對于為手持或便攜式設備設計基于FPGA的嵌入式系統來(lái)說(shuō)是急需解決的問(wèn)題。

　　嵌入式系統中的FPGA

　　典型的嵌入式系統由處理器、存儲器、包括USB、SPI、I2C在內的標準接口以及液晶顯示器、音頻輸出等外設組成。設備的核心仍是處理器和處理器接口，它們通過(guò)板載連線(xiàn)連接到各個(gè)外設。系統性能主要取決于處理器性能，而處理器通常具有非常標準的架構，因而不容易定制。

　　有時(shí)處理器可能忙于處理來(lái)自低速外設的信息，雖然在這種情況下處理器使用率可能達到100%，但并不是在做以微處理器為中心的事務(wù)，而是工作在特別低的性能水平。不管其內核頻率是多少，微處理器必須等待來(lái)自低速時(shí)鐘的數據。這也會(huì )導致較高的功耗，因為處理器的利用率是100%。其結果將縮短電池壽命，并且需要更大的散熱器或風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，最終影響整個(gè)系統的可靠性。

　　于是，FPGA在這方面開(kāi)始發(fā)揮重要作用，因為它們能從處理器卸載許多外設交互任務(wù)。如圖1所示，利用標準千兆TCP/IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的未壓縮音視頻數據流的嵌入式分布系統。它有一個(gè)專(zhuān)用DSP處理器，這個(gè)處理器通過(guò)一個(gè)標準總線(xiàn)接口與賽靈思的FPGA相接，FPGA再連接到各個(gè)低速外設。

　　圖1：用于音頻/視頻分布系統的FPGA架構。

　　作為啟動(dòng)開(kāi)發(fā)套件，這個(gè)FPGA通過(guò)I2S接口連接12位的PCM音頻輸入和12位的PCM音頻輸出；它還連接視頻編碼器和解碼器，并與I2C從器件和RS232器件進(jìn)行通信；連接到FPGA的通用I/O很少。與處理器相連的標準總線(xiàn)工作在高速的66MHz，而音頻外設工作在低速的1.182MHz；UART和I2C串行接口分別工作在56.6kHz和100kHz。由于數據傳輸發(fā)生在多個(gè)時(shí)鐘域，因而只有處理器能配置數據流。

　　在這種情況下，處理器不再與低速外設交互，而由FPGA從低速的PCM ADC音頻器件讀取數據，并將數據存放在FPGA的內部緩存中。處理器可以周期性地從這個(gè)緩存讀取數據，或者當緩存中有足夠數據時(shí)，由FPGA向處理器發(fā)送一個(gè)中斷。這樣，處理器就有更多的時(shí)間執行以處理器為中心的必要工作，在空閑時(shí)則進(jìn)入睡眠模式。