FPGA提升智能手機設計差異化

當今手機行業(yè)的創(chuàng )新速度之快可謂前所未有，用戶(hù)不斷對手機提出更多的要求。智能手機、平板電腦和其它電池供電設備已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的通信設備?，F在通過(guò)集成諸多的“一直在線(xiàn)”的功能（如導航、電子郵件、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)接入和相機等），它們可以提供許多的個(gè)人服務(wù)。

　　在兩大領(lǐng)先操作系統之間進(jìn)行選擇時(shí)，智能手機設計人員需要依賴(lài)硬件實(shí)現產(chǎn)品的差異化，從而在激烈的競爭中立于不敗之地?？删幊踢壿嬈骷梢詾槭謾C系統架構師提供快速創(chuàng )新，給他們的產(chǎn)品增加新功能。這正是可編程邏輯器件可以為手機系統帶來(lái)直接價(jià)值的體現。下面的一些例子說(shuō)明了為什么使用低成本、低功耗的可編程邏輯器件可以為手機設計帶來(lái)附加價(jià)值以及如何才能成功地實(shí)現。

　　手機行業(yè)內不同步的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

　　閱讀這篇文章的讀者可能已經(jīng)知道，手機和芯片廠(chǎng)商的產(chǎn)品設計周期完全不同。我們會(huì )發(fā)現，通常每隔一個(gè)月就會(huì )有新的手機模型推出，而芯片廠(chǎng)商發(fā)布新版本芯片的節奏則慢得多。雖然這有著(zhù)現實(shí)和明顯的原因，但是手機系統架構師也面臨著(zhù)實(shí)實(shí)在在的設計挑戰，即如何實(shí)現芯片廠(chǎng)商所無(wú)法支持的越來(lái)越快的產(chǎn)品創(chuàng )新周期。最近公布的MIPI電池接口（BIF）標準就是一個(gè)很好的例子。

　　MIPI電池接口標準

　　雙核和四核處理器的使用以及市場(chǎng)對增強用戶(hù)體驗的需求會(huì )導致功耗增加，而對電池供電、壽命和使用時(shí)間產(chǎn)生直接影響。如何取得最佳的電池供電、電池容量、化學(xué)、安全性和外形尺寸之間的平衡是一個(gè)重要的設計挑戰。MIPI-BIF建立的通信協(xié)議為系統設計人員提供了一種方法：在有需要時(shí)才讀取參數，從而優(yōu)化設備使用時(shí)的功耗并優(yōu)化電池充電。對于需要確保用戶(hù)安全的系統，它還提供了一種方法來(lái)驗證電池。雖然MIPI標準已經(jīng)公布，但是芯片廠(chǎng)商卻仍然需要時(shí)間，將該標準加入到他們的產(chǎn)品當中。然而，手機設計人員則可能希望更快地利用MIPI-BIF的優(yōu)勢?？删幊踢壿嬈骷头浅＿m合在這種情況下使用，因為其可以使移動(dòng)系統架構師使用現有的芯片或應用處理器來(lái)實(shí)現新的標準。事實(shí)上，MIPI發(fā)布BIF標準不久后，萊迪思（Lattice）半導體公司就宣布支持該標準，并與主要客戶(hù)合作，開(kāi)始著(zhù)手實(shí)現。

　　圖1是使用低成本、低功耗的FPGA在現有的應用處理器和最近發(fā)布的MIPI-BIF標準之間構建橋接的示例。使用低功耗FPGA可以實(shí)現BIF電池通信線(xiàn)（BCL）上的通信。由于在應用處理器側通常都有I2C接口，因此該接口是連接主應用處理器和FPGA的最佳選擇。在I2C標準之上定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，以實(shí)現主機和FPGA之間的通信。如果需要的話(huà)，可以很容易地采用FPGA解決方案定制主機接口。同時(shí)，可以使用FPGA進(jìn)一步定制BIF接口/協(xié)議。此外，FPGA還為客戶(hù)提供了靈活性，甚至是在同一個(gè)低功耗的FPGA器件內集成其他功能。通過(guò)使用低功耗FPGA與應用處理器相結合，手機制造商可以根據需要在他們的產(chǎn)品中實(shí)現大量的差異化特性/功能，從而使其產(chǎn)品與眾不同。

　　圖1 使用低功耗FPGA實(shí)現新的標準。
由于芯片廠(chǎng)商不支持某些標準而降低了靈活性

　　盡管長(cháng)久以來(lái)大多數芯片制造商一直宣傳和吹噓“片上系統”和“全面集成”，芯片組通常設計用于滿(mǎn)足廣泛的市場(chǎng)需求，因而可能不支持某些特殊的標準。這就無(wú)法為手機系統架構師提供寶貴的靈活性。此外，在芯片制造商采用新標準時(shí)，他們往往就會(huì )從其產(chǎn)品系列中完全刪除舊標準。這就進(jìn)而從手機制造商的系統架構師和器件采購團隊手中奪走了寶貴的靈活性。往往在這些情況下，系統架構師可能會(huì )因為最新的特性而希望采用最新的芯片組解決方案，而采購團隊則可能希望繼續使用某些舊的標準（即使最新的芯片組并不支持），以提供供應的靈活性。

　　在此，FPGA可以再一次提供極大價(jià)值。圖2說(shuō)明了如何使用低成本、低功耗的FPGA，通過(guò)提供一種簡(jiǎn)單方法橋接兩種不同標準，實(shí)現設計的靈活性。從圖中可以看到，如何使用具有定制接口的地面電視廣播調諧芯片與不支持該接口的應用處理器連接。圖2中的主機接口采用SPI總線(xiàn)連接，該總線(xiàn)在應用處理器中十分常見(jiàn)。同時(shí)，與應用處理器之間的通信可以使用FPGA按需求進(jìn)行定制。

　　圖2：使用低功耗FPGA實(shí)現接口橋接。

　　智能手機中的傳感器數量急劇增長(cháng)。高端智能手機中使用了多種傳感器，如陀螺儀、多攝像頭、觸摸屏、加速度計、磁力計、環(huán)境光傳感器和GPS等。未來(lái)的手機將能感應到更多的周邊環(huán)境信息（感應海拔、溫度和濕度等），同時(shí)提供更多的增值功能（如人體生命體征的監測）。傳感器的大量使用對用戶(hù)體驗有著(zhù)很大的影響。例如，大多數智能手機用戶(hù)都知道使用GPS導航對電池續航時(shí)間有著(zhù)直接和顯著(zhù)的影響。

　　此外，一些智能手機的操作系統規定了某些關(guān)鍵傳感器（如觸摸傳感器）的輪詢(xún)頻率。觸摸傳感器可能需要以數百kHz的頻率輪詢(xún)，以確保良好的用戶(hù)體驗。在那些應用處理器直接與傳感器相連的架構中，傳感器需要由應用處理器主動(dòng)管理，這對功耗有直接影響。

　　圖3顯示的是使用一個(gè)低功耗FPGA與應用處理器相結合，實(shí)現移動(dòng)平臺上傳感器管理的結構圖。獨立I2C主器件可用于管理不同的傳感器，以確保每個(gè)傳感器的輸出正確。需要更高的吞吐量的傳感器（如觸摸傳感器），可以在需要時(shí)使用獨立的I2C總線(xiàn)連接到FPGA。智能傳感器集線(xiàn)器可以設計為將不同傳感器產(chǎn)生的中斷聚合起來(lái)，根據預定義條件，產(chǎn)生應用處理器中斷。這種設計方法可以使應用處理器長(cháng)時(shí)間進(jìn)入待機狀態(tài)，從而降低功耗，或者釋放應用處理器以執行其他重要任務(wù)。

　　圖3：將FPGA用作智能傳感器集線(xiàn)器。

　　本文小結

　　手機市場(chǎng)的競爭十分激烈，許多手機制造商不斷推出新的產(chǎn)品。手機制造商的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期與芯片或應用處理器的開(kāi)發(fā)周期完全不同。在某些情況下，這成為了手機制造商需要在其產(chǎn)品中實(shí)現尖端功能的一個(gè)瓶頸。此外，產(chǎn)品的差異化已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的挑戰，因為手機采用了相同的操作系統，而使得消費者可能獲得相似的用戶(hù)體驗。因此，手機制造商需要利用硬件特性來(lái)區分他們的產(chǎn)品。手機系統設計師不斷嘗試在增加新功能、降低功耗和成本之間取得平衡。在這樣一個(gè)充滿(mǎn)活力的環(huán)境中，低成本、低功耗的FPGA（如萊迪思半導體公司的iCE40器件）將是幫助手機架構師設計新功能、實(shí)現產(chǎn)品差異化的理想選擇。