低功耗橋接解決方案演繹技術(shù)新潮流

低功耗橋接解決方案演繹技術(shù)新潮流

Low Power Bridging Solutions

QuickLogic公司 大中國區總經(jīng)理 王家緒

　　FPGA以其設計靈活，易于修改，且沒(méi)有掩膜成本，沒(méi)有最小訂單數量限制的特性受到廣大系統設計人員的青睞。然而，系統設計人員也面臨著(zhù)諸多挑戰，諸如：如何對新標準和附加功能進(jìn)行匹配、如何解決功耗和帶寬問(wèn)題等。只有真正解決了這些問(wèn)題，才能最大限度地發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢。

設計人員面臨的挑戰

　　系統設計人員面臨的難題之一是各種器件之間的互不匹配。處理器局部總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、CF卡、Utopia，以及其他器件都采用各自的協(xié)議標準，讓單一器件同時(shí)支持各種接口標準是設計工程師的迫切需要。同時(shí)芯片間接口新標準的層出不窮、附加功能的多樣性，使現有產(chǎn)品在滿(mǎn)足新接口標準的升級中遇到了挑戰。

　　更重要的是，在產(chǎn)品升級的過(guò)程中，降低功耗已經(jīng)成為整個(gè)設計流程的迫切要求。

　　因此，如何有效地解決接口多樣性帶來(lái)的橋接問(wèn)題和如何實(shí)現低功耗是器件提供商面臨的巨大挑戰。

　　本文以Quicklogic的Eclipse II系列為例來(lái)說(shuō)明低功耗的橋接解決方案。

超低功耗的可編程邏輯

　　Eclipse II是超低功耗工業(yè)溫度標準級FPGA器件，適用于需要在工業(yè)溫度范圍內運行的各種應用。系統容量從4.7萬(wàn)到32萬(wàn)門(mén)，在知識產(chǎn)權保護方面，其IP竊取安全保護功能可以對設計者的設計進(jìn)行妥善保護，使之免受設計竊取行為和逆向設計的困擾。極低的功耗是Eclipse II系列的一大特色，它采用_Watt超低功耗技術(shù)，實(shí)現了超低動(dòng)態(tài)功耗，待機電流低至14(A，在功耗方面大大優(yōu)于CPLD和以往的FPGA器件。由于最大限度降低了功耗，使用該器件的系統發(fā)熱量更小、使用的電池組也更小，系統體積和重量分別得到縮小和減輕，而且容易滿(mǎn)足散熱要求。

　　作為單芯片解決方案，Eclipse II系列具有瞬間導通能力，無(wú)需外部配置存儲器。其所有可編程器件都內置了SRAM（可配置為FIFO或雙端口RAM），因而它們比沒(méi)有內置SRAM的CPLD更能滿(mǎn)足橋接不同的接口標準的需求。

低功耗設計的工具

　　為了真正在設計中實(shí)現低功耗能力，可以使用QuickLogic提供的包括全面整合的QuickWorks(r)設計開(kāi)發(fā)軟件包、硬件開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)。比如說(shuō)，PowerAware Placer、Power Calculator及Power Simulator可以幫助設計人員規劃和測量實(shí)際功耗；低功耗參考設計工具集（RDK）可以用于開(kāi)發(fā)原型；以及多種側重于低功耗應用的IP可以縮短產(chǎn)品設計周期。

　　RDK包括低功耗評估板、軟件工具和技術(shù)支持服務(wù)。我們可以利用低功耗RDK測試FPGA外圍的固化功能，同時(shí)簡(jiǎn)便地驗證自己的IP；還可以使用低功耗RDK測量實(shí)際芯片的設計性能和功耗，以確保芯片完全滿(mǎn)足設計目標。工具中先進(jìn)的Power Calculator（功率計算器）能夠自動(dòng)地計算設計消耗的近似功率。

　　低功耗工具集評估板包括低功耗工具集板和功耗測量子板兩個(gè)評估板。低功耗工具集評估板使開(kāi)發(fā)人員能夠方便地測試FPGA外圍的固化功能，同時(shí)為開(kāi)發(fā)和驗證自己的IP提供了一個(gè)易于使用的平臺。用戶(hù)可以用它同時(shí)測量實(shí)際芯片的設計性能和功耗，并在硬件開(kāi)發(fā)的同時(shí)加快進(jìn)行軟件和固件的開(kāi)發(fā)，以確保芯片完全滿(mǎn)足設計目標。此外，該工具集還可直接監控所有FPGA I/O引腳，易于連接調試工具、示波器或邏輯分析儀。它還包括完整的RDK手冊、電路圖、PCB布局圖、機械圖紙和IP源代碼。

　　我們知道，一個(gè)軟件工具是否優(yōu)越，易用性在其中占了很大的比重。低功耗工具集采用圖形用戶(hù)界面（GUI），為用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)提供了一個(gè)易于使用的接口。它提供了所有的操作功能，可測試FPGA的功能，并提供了關(guān)于功耗的詳細信息，包括動(dòng)態(tài)電流耗用的分時(shí)圖形，如圖3所示。

低功耗橋接應用案例

案例一：處理器與Wi-Fi接口

　　802.11a/b/g已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)數據傳輸最常用的標準，它最初是為筆記本電腦設計的，如今已經(jīng)進(jìn)入視頻監控、IP電話(huà)、POS終端等應用領(lǐng)域。目前，市場(chǎng)上802.11a/b/g芯片組最常用的接口是PCI。較新的嵌入式微處理器一般都集成了PCI接口，這使得與標準802.11a/b/g芯片組的連接非常便捷。然而，許多舊式處理器一般沒(méi)有內置PCI接口，只有支持特定處理器的本地總線(xiàn)，甚至僅配備了一個(gè)存儲器接口。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有能夠與這些特定處理器本地總線(xiàn)直接通信的802.11a/b/g芯片。因此，我們需要利用橋接器件為采用傳統處理器的系統增加無(wú)線(xiàn)連接功能。此類(lèi)橋接設備可幫助用戶(hù)最大限度地利用他們在這些系統的軟硬件和IP方面的投資。采用_Watt技術(shù)的可編程橋接解決方案可幫助設計者擴展Intel XScale微架構本機外圍設備的范圍，實(shí)現了與Wi-Fi、超寬帶和USB2.0等基于PCI的外設的通信。

案例二：處理器與USB2.0接口

　　目前USB已經(jīng)成為外設與基于微處理器的數字系統連接最常用的標準總線(xiàn)之一，廣泛應用于手持設備、機頂盒等領(lǐng)域?，F有的微處理器一般都集成了USB1.1控制器。然而，USB2.0的推出使諸如硬盤(pán)驅動(dòng)器或DVD刻錄機/驅動(dòng)器等外設能夠以更高的速率傳輸數據，因此基于USB2.0的外設數量正在不斷增加。不過(guò)，許多舊式處理器并不支持這一新標準。這就需要采用橋接設備來(lái)最大限度地利用在這些處理器的軟硬件和IP上的投資。具備_Watt技術(shù)的解決方案可為沒(méi)有配備內置USB2.0或PCI接口的處理器提供完善的方案，可以橋接通用微處理器接口和USB2.0主機控制器的PCI端。

案例三：CardBus宿主設備

　　隨著(zhù)便攜式和嵌入式系統變得日益復雜，對于模塊化和擴展能力的要求也越來(lái)越高。許多便攜式系統需要支持一個(gè)或兩個(gè)用于擴充模塊的CardBus插槽。標準CardBus宿主設備一般只有一個(gè)PCI接口，不能與許多嵌入式處理器無(wú)縫地工作。低功耗FPGA可以輕松實(shí)現不同嵌入式處理器和CardBus插槽的橋接。

案例四：CardBus卡

　　CardBus是高數據吞吐帶寬的移動(dòng)系統擴展卡的主流標準。設計人員根據規范要求設計CardBus卡時(shí)面臨著(zhù)多方面的挑戰——最大功率限定在3W，初始化過(guò)程的最大電流限定在70mA；同時(shí)，卡的高度受到嚴格限制，而且設計的應用部分必須與支持CardBus標準所有功能的接口器件共享較小的主板空間。采用合適封裝的低功耗QuickPCI器件解決了所有上述挑戰，可使設計人員以最少的精力投入來(lái)進(jìn)行全功能的CardBus設計。

　　目前，低功耗橋接解決方案已經(jīng)成功地幫助許多客戶(hù)在極短的時(shí)間內為現有產(chǎn)品增加了附加功能。這些應用包括：無(wú)線(xiàn)IP電話(huà)、Wi-Fi監控系統、無(wú)線(xiàn)POS系統、便攜式視頻播放器、基于PCI的監控系統和PCI插卡。

結論

　　低功耗及高性能的標準的FPGA日益受到設計人員的青睞，而具有高性能邏輯、專(zhuān)用的SRAM、靈活的時(shí)鐘架構的產(chǎn)品，為要求超低功耗、小尺寸封裝和設計高度安全的FPGA、CPLD和ASIC應用的設計者提供了多樣化的解決方案。它在處理器和大批面向便攜和手持市場(chǎng)的新興網(wǎng)絡(luò )、存儲和媒體處理技術(shù)之間架起了一座實(shí)現低功耗連通的橋梁。它將幫助設計者在進(jìn)行系統架構設計時(shí)平衡對功耗、性能和成本的選擇，同時(shí)有效地減少風(fēng)險，加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間，并減少開(kāi)發(fā)成本。