量產(chǎn)應用的高功效定制

　　編者按：可配置處理器正在通過(guò)它的靈活性為系統架構是和開(kāi)發(fā)人員減輕設計負擔。以便攜式產(chǎn)品為例，產(chǎn)品功能日益復雜 上市時(shí)間要求越來(lái)越短，設計預算也在縮減，應對這些設計挑戰的關(guān)鍵是在一個(gè)通用平臺上開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，這一平臺要足夠靈活以實(shí)現定制化和優(yōu)化功能。而在機器視覺(jué)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)深度感知目前是通過(guò)立體圖像來(lái)計算深度的，算法的計算量很大。而采用FPGA的解決方案能使處理器的時(shí)間得到緩解，減少器件的成本，例如MPU、DSP、激光器和鏡頭等。通過(guò)提供給機器人其環(huán)境中的差異測繪，FPGA使機器人中的CPU專(zhuān)注于重要的高層任務(wù)，例如建圖和定位。

　　市場(chǎng)容量巨大的便攜式產(chǎn)品的設計正在發(fā)生變革，系統架構師和開(kāi)發(fā)人員也因此面臨著(zhù)巨大挑戰。

　　首先是產(chǎn)品日益復雜化。消費者對更多功能和更優(yōu)性能的需求與日俱增，卻不希望原材料成本提高及電池壽命縮水，為滿(mǎn)足這一需求，就需要更精密的軟件、信號設備和邏輯設計。

　　其次是不斷縮短的上市時(shí)間，由于競爭對手需要滿(mǎn)足消費者對更新、更好產(chǎn)品的需求，使原始設備制造商(OEM)和原始設計制造商(ODM)更加頻繁地發(fā)布新產(chǎn)品。例如，他們不再每年推出一代新產(chǎn)品，而是按季度發(fā)布新產(chǎn)品，也許還會(huì )更頻繁。此外，市場(chǎng)被地域和人口分成許多區域，每個(gè)區域對功能設置的需求也不同。因此，新一代產(chǎn)品需要多種設計，以充分滿(mǎn)足全球市場(chǎng)的需求。比如，當前一些領(lǐng)先的手機制造商期望一年可推出100多款新手機，多么令人難以置信！

　　最后是設計預算在縮水。為了進(jìn)行成本競爭，企業(yè)無(wú)法利用大型設計團隊同時(shí)開(kāi)發(fā)交錯發(fā)布的新產(chǎn)品，相反必須利用小型設計團隊迅速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。同時(shí)，為了保證收益，新產(chǎn)品還不能盲目模仿老產(chǎn)品，它們必須具有差異化性能，才能脫穎而出并引起消費者的興趣。

　　應對這些設計挑戰的關(guān)鍵是在一個(gè)通用平臺上開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，且這一平臺要足夠靈活以實(shí)現定制化和優(yōu)化功能。

平臺架構

　　使用傳統的設計方法，設計團隊要從零開(kāi)始創(chuàng )建一個(gè)新的和差異化的設計，根本跟不上步伐?；趯?zhuān)用集成電路(ASIC)和結構ASIC的產(chǎn)品設計也需要一年以上才能上市。專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)則趨于更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，但由于它們具有的“標準產(chǎn)品”特性，實(shí)在無(wú)法實(shí)現硬件差異化，而基于處理器的設計可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現差異化及優(yōu)化功能，但卻不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計成本需求。

　　基于平臺的方法提供了一種更加靈活的設計方案。開(kāi)發(fā)人員首先建立一個(gè)作為一系列產(chǎn)品的基礎平臺，然后通過(guò)重新配置平臺以提供不同的功能設置，從而設計出差異化的產(chǎn)品，并通過(guò)添加新功能來(lái)優(yōu)化平臺。如果設計周全，單一平臺可以衍生出一系列能夠滿(mǎn)足不同市場(chǎng)需求，不同價(jià)位的差異化產(chǎn)品，問(wèn)題的本質(zhì)在于如何賦予一個(gè)平臺足夠的設計靈活性。

　　對于新一代移動(dòng)設備，處理器可以連接各種不同接口的能力至關(guān)重要。將這些接口以一種萬(wàn)用尺碼構建在一個(gè)處理器芯片中會(huì )非常昂貴，而且浪費時(shí)間，這還很冒險。不同給定的產(chǎn)品設計需要不同的接口，為不使用的功能支付額外費用將限制芯片組的有效應用市場(chǎng)。另外，隨著(zhù)移動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展，新的要求層出不窮，以至于不得不花高價(jià)重新設計芯片組。因此，嵌入式處理器開(kāi)發(fā)團隊放慢了集成更多基本功能到芯片組中的速度，使處理器不能滿(mǎn)足移動(dòng)系統對連接的需求。

　　可編程邏輯是一種顯而易見(jiàn)的解決方案。不過(guò)，便攜式電子產(chǎn)品的電池供電性能，及需要在同等空間集成更多功能而又不影響功耗的事實(shí)，為應用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)制造了障礙。近來(lái)，可編程邏輯廠(chǎng)商已開(kāi)始擴展他們的涉及范圍，來(lái)滿(mǎn)足新便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。

　　怎樣才能滿(mǎn)足今天量產(chǎn)便攜式應用的邏輯器件需求呢？五個(gè)關(guān)鍵因素導致可編程邏輯電路(PLD)—尤其是可重復編程FPGA—消耗功率過(guò)大：浪涌電流、配置相位，以及正常工作期間的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和閑置模式功耗。浪涌電流是器件上電后消耗的電流，配置相位電流對器件的初始化非常必要。因為十毫秒以上的加載器件配置數據常常要消耗相當大的電力，采用SRAM存儲器的可重復編程FPGA的配置，遠不如采用立即上電邏輯技術(shù)的金屬對金屬互連的表現。靜態(tài)功耗是指時(shí)鐘輸入和I/O引腳沒(méi)有活動(dòng)時(shí)器件所消耗的電流。同樣，與金屬對金屬互連相比，保持器件配置數據需要大容量的寄存器，這就增加了可重復編程器件的功耗，經(jīng)?？梢赃_到幾十甚至幾百毫安的靜態(tài)功耗值。

　　可重復編程器件在動(dòng)態(tài)功耗方面也不盡人意，反熔絲器件內的金屬對金屬互連的電容要比可重復編程器件結構內的對等結構低得多。這些連續充電和放電的寄生電容需要大量隨時(shí)鐘頻率而變化的動(dòng)態(tài)電流。

　　最后，經(jīng)常被忽略的閑置功耗是指當I/O引腳處于活動(dòng)狀態(tài)，而器件內的時(shí)鐘并不活躍時(shí)消耗的電流。這些因素共同影響著(zhù)整個(gè)系統的功率預算，從電池運行時(shí)間到外部元件，保證器件電源的可靠供應是至關(guān)重要的。

　　針對這種情況，QuickLogic開(kāi)發(fā)了一種新的可編程結構架構，也就是PolarPro。其中采用了一種專(zhuān)有的金屬對金屬Vialink互連技術(shù)(由于無(wú)需用來(lái)保持配置的存儲器，可以大幅削減靜態(tài)功耗；而與晶體管元件陣列相比，金屬對金屬工藝占用的電容非常低，還可以大幅度降低動(dòng)態(tài)功耗)；并且這種架構上的創(chuàng )新還可以滿(mǎn)足待機功耗的要求。

　　一種專(zhuān)有的超低功耗(VLP)模式可以在待機時(shí)有效地將I/O端與邏輯核隔離開(kāi)來(lái)，保持所有I/O、存儲器和寄存器的狀態(tài)。這對總線(xiàn)應用非常有用—當總線(xiàn)在正常操作時(shí)，在其設備需要之前，PolarPro器件只消耗掉可以忽略不計的功耗。最多300微秒，其VLP引腳變?yōu)榈蛻B(tài)，該結構即進(jìn)入10微安的待機模式，同時(shí)保持邏輯單元、I/O寄存器、輸出引腳值和存儲單元的所有存在狀態(tài)；另外，300微秒內VLP即恢復為高態(tài)，重新開(kāi)始正常工作。

只具有優(yōu)良的結構并不充分

　　這樣的功耗靈敏度仍然不足以滿(mǎn)足一名移動(dòng)開(kāi)發(fā)人員的所有需要。通常，這一領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員對可編程器件的成本和功耗非常敏感。編程的硬件開(kāi)銷(xiāo)，以及這類(lèi)元件的傳統定價(jià)結構，已經(jīng)使許多移動(dòng)開(kāi)發(fā)人員對這些元件無(wú)法親近。當然，一個(gè)移動(dòng)開(kāi)發(fā)人員通常買(mǎi)不起可以通過(guò)可編程結構就能實(shí)現大量功能的工具。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，QuickLogic開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型器件，并定義為CSSP或客戶(hù)專(zhuān)用標準元件。這種方法結合了硬邏輯設計的高度集成和性能，以及定制化和開(kāi)發(fā)差異化產(chǎn)品所需的靈活性。

　　這種基礎硅平臺是一個(gè)標準的、極其精密的元件。它包含一組可配置的硬邏輯核，可以滿(mǎn)足許多通用移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)人員的理想列表(可以提供當前嵌入式處理器的本地接口無(wú)法實(shí)現的期待功能，比如，USB On-the-Go)，以及一些具有設計靈活性的可編程結構。這種組合提供了實(shí)用的綜合可編程能力和理想的處理器擴展—以一種緊湊且高功效的方式。CSSP方法的一個(gè)獨特之處是QuickLogic的技術(shù)團隊可以與OEM和ODM廠(chǎng)商密切合作制訂并實(shí)施平臺的定制化。