采用帶閃存結構的FPGA對系統設計實(shí)現有效管理

     目前系統管理的實(shí)現使用大量分立器件

     現今系統管理的實(shí)現需要大量的分立元器件 (有時(shí)數以百計)，這種由各種固定功能芯片 (圖1) 和分立元件——如 CPLD、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電控制器件、溫度監測器、風(fēng)扇控制器、非易失性存儲器、PWM 和配置存儲器——構成的系統占用了大量的電路板空間，而它們必須協(xié)調地工作才能創(chuàng )建緊密的解決方案。除了占用電路板空間之外，大量的元件既增加直接成本 (單元成本、裝配成本和庫存成本)，又增加非直接成本 (設計時(shí)間、完成時(shí)間和終止時(shí)間)。此外，這些由硬件實(shí)現的分立解決方案常常需要因為日漸增加的設計變更而更改元件和/或重新設計電路板，這就需要昂貴且耗時(shí)的重新質(zhì)量認證，使到

　　系統管理的替代方法

　　因為系統管理不是典型板級設計的主要目的，其實(shí)現常常會(huì )受到忽視。采取反應性的系統管理方法 (針對每項個(gè)別任務(wù))，將帶來(lái)高成本和高元件數量問(wèn)題。然而，如果事先考慮周到的話(huà)，設計工程師利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 技術(shù)便能輕易開(kāi)發(fā)系統管理解決方案。

　　FPGA持續以超越市場(chǎng)平均發(fā)展水平的速度增長(cháng)，在許多應用中取代了專(zhuān)用集成電路 (ASIC)。然而，用戶(hù)對FPGA解決方案必須加以仔細考慮。盡管它們能夠提供靈活性和可重編程能力，但是，以SRAM為基礎的FPGA需要大量的處理以保持正常運作。上電時(shí)，以SRAM為基礎的FPGA必須根據其設計進(jìn)行配置，并常常需要進(jìn)行電壓上電順序控制，以防止編程錯誤或其它片上問(wèn)題。利用以 SRAM為基礎的解決方案還要進(jìn)行欠壓檢測，因為以基于SRAM結構的 FPGA是易失性器件，用戶(hù)必須確保配置存儲器不會(huì )因電壓下降而擾亂。對于許多以SRAM為基礎的FPGA來(lái)說(shuō)，低到60mV的電壓變化就足以使器件進(jìn)入未知狀態(tài)，因此，需要將系統復位。

　　利用以基于 Flash結構的非易失性FPGA技術(shù)就可以避免這些問(wèn)題。以 Flash 為基礎的混合信號FPGA (如Actel的 Fusion可編程系統芯片) 可以執行許多系統管理任務(wù)，并提供單芯片實(shí)現方案，因而在維持系統可靠性的前提下取代許多分立元件并縮小電路板的空間，同時(shí)把成本至少減半。這些平臺中只有一種能夠集成和執行所有的系統管理功能，并消除目前系統管理中面臨的“痛苦”和負擔。此外，集成了混合信號解決方案的 Flash 容許設計工程師為許多不同類(lèi)型的FPGA而存儲設計文件，所以毋需在電路板上采用獨立的配置PROM。再者，與其它可重編程FPGA解決方案相類(lèi)似，可配置及靈活的混合信號FPGA器件使到設計變更更易于實(shí)現，而不論是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中或是投入使用之后。

　　電源管理

　　電源管理是最受公認的系統管理功能之一。系統管理的任務(wù)包括上電檢測和復位、上電排序、電壓監測和微調、電流監測等。因為系統中所有的電源軌都沒(méi)有被初始化，電源管理解決方案必須上電即行，且具靈活性，并支持單一高電壓電源。由于每塊獨特的板級設計都具有其自身的一套電源管理要求，電源管理芯片必須具有可配置性，以適應來(lái)自板級的獨特和時(shí)刻變化的要求。

　　許多系統從單一高電壓電源獲取電能。例如，高級的夾層卡 (AMC) 常見(jiàn)于先進(jìn)電信計算架構 (ATCA) 和MicroTCA機架上，通過(guò)指定單一的12V電源軌從中引出它們所需的較低電壓電源 (即3.3V、1.8V和0.9V)。最佳的電源管理芯片可以直接連接到并監測高電壓電源，而不需要外部支持電路。高電壓工藝容許在模/數轉換器 (ADC) 中采用電壓較高的參考源，使到ADC具有較高的動(dòng)態(tài)范圍。

　　工程師可以把特定的上電順序和斜率編寫(xiě)到FPGA之中。具有模擬前端及上電即行能力并以Flash 為基礎的FPGA有高度靈活性，可以重復編程并支持到高壓信號的直接連接。此外，由于混合信號FPGA能夠方便地支持相同封裝引腳的多種功能，因此可根據系統要求在某些引腳上進(jìn)行電流監測，或把某些引腳配置為電壓監測器。

    熱管理

　　維持適當的環(huán)境工作狀況是系統管理的一個(gè)關(guān)鍵要素。當今的智能系統不僅監測和管理熱狀況，還會(huì )分配系統的數據流量和數據裝載，以便更好地平衡系統及提高性能。利用一體化的溫度監測能力，混合信號 FPGA 容許設計工程師方便和有效地維持最佳的系統狀況，從而延長(cháng)正常運行時(shí)間，并通過(guò)進(jìn)一步減少元件和降低成本來(lái)提高性能。當今的混合信號 FPGA 解決方案還能夠方便地監測最多 10 個(gè)遠端的溫度，從而增強這些器件作為優(yōu)秀的熱管理解決方案的地位。遙測溫度的功能使工程師不僅能夠跟蹤電源轉換器、入口或出口空氣的溫度，而且能夠檢測耗電的 FPGA 及處理器。除此之外，這些器件能夠處理風(fēng)扇控制，以執行閉環(huán)的熱管理。

      診斷和預測

　　盡管涉及一些成本和風(fēng)險，現今的典型系統常常能夠完全維持系統的正常運行。然而，工程師常常需要在不添加元件的前提下跟蹤系統的歷史性能或故障。診斷和預測 (或者說(shuō)確定故障模式并預測它們的能力) 正快速成為系統管理的重要元素。當然，對于系統開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，讀出關(guān)于板級系統工作過(guò)程的時(shí)間戳系統參數或回顧生產(chǎn)之后的故障分析是非常有價(jià)值的工作。類(lèi)似地，當試圖識別故障模式及設計弱點(diǎn)的時(shí)候，把針對板級系統的“黑盒子”綜合起來(lái)分析會(huì )節省寶貴的時(shí)間和人力。

　　混合信號 FPGA的片上 Flash 為設計工程師提供了能節省時(shí)間戳關(guān)鍵的系統參數的能力 — 如電源軌的電流消耗、器件溫度和電壓軌的波動(dòng)。該數據不僅可以在故障之后由工程師分析以鑒別故障的根源，而勇于創(chuàng )新的設計工程師正在尋求系統工作期間分析系統趨勢的方 法。通過(guò)分析板級系統生命期內特殊參數的變化，工程師有可能在故障出現之前就對其進(jìn)行預測，從而延長(cháng)系統的正常運行時(shí)間。

　　舉例說(shuō)，在采樣電機控制應用中，設計工程師可能測量流向線(xiàn)圈及電機轉子的電流，以決定什么時(shí)候按照已計劃好的式樣把該設備關(guān)停。在工業(yè)應用中，因為確定問(wèn)題的代價(jià)不菲，并且從設備關(guān)停開(kāi)始就要損失利潤，因此，相比計劃關(guān)停而言，未經(jīng)計劃關(guān)停的成本要高得多。因此，以 Flash 為基礎的混合信號FPGA便能讓設計工程師在板級系統發(fā)生故障之前向維修人員預報故障信息。

　　對于板級系統設計來(lái)說(shuō)，系統管理功能 (如電源和熱管理) 的問(wèn)題再也不能事后考慮了?，F今的分立和固定功能實(shí)現方案都會(huì )招致高昂的設計成本，更要求不同的元件和板級變更造成較少的設計反復。單芯片、可配置的 FPGA 實(shí)現方案是理想的系統管理解決方案。以 Flash 為基礎的非易失性混合信號 FPGA 如 Actel 的Fusion PSC 能夠減少元件數量、縮小電路板空間及降低系統總成本，從而提高了其可靠性和延長(cháng)系統正常運行時(shí)間。