利用CPLD解決便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

移動(dòng)電話、便攜式媒體播放器、掌上游戲機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜式產(chǎn)品的激增，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員承受著越來(lái)越大的壓力。他們必須不停地開(kāi)發(fā)提供擁有新特性和功能的產(chǎn)品，并盡量縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。那么，CPLD可微為便攜設(shè)計(jì)帶來(lái)哪些好處呢？在為便攜應(yīng)用選擇邏輯解決方案時(shí)，需要考慮哪些主要設(shè)計(jì)因素呢？
　　
　　手持產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用，例如移動(dòng)電話、便攜式媒體播放器、掌上游戲機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜式產(chǎn)品的激增，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員承受著越來(lái)越大的壓力。他們必須不停地開(kāi)發(fā)提供擁有新特性和功能的產(chǎn)品，并盡量縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。根據(jù)市場(chǎng)情報(bào)公司iSuppli的預(yù)測(cè)，核心半導(dǎo)體產(chǎn)品在上述領(lǐng)域的收入可望由2008年的260億美元增長(zhǎng)到2012年的300億美元，相當(dāng)于4%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(核心器件是由iSuppli公司定義的，如ASSP，ASIC和可編程邏輯器件)。
　　
　　因?yàn)橐蟠龣C(jī)功耗低、電路板尺寸小和成本低，便攜式產(chǎn)品的邏輯功能過(guò)去通常是由專用集成電路(ASIC)和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)來(lái)提供，可編程邏輯器件(PLD)的應(yīng)用相當(dāng)有限。然而，隨著可編程器件架構(gòu)的改進(jìn)、功耗的降低、并采用新的封裝使尺寸變小、成本降低，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始越來(lái)越多地使用PLD，因?yàn)榕cASIC和ASSP相比，PLD在縮短上市時(shí)間和設(shè)計(jì)靈活性方面具有先天的優(yōu)勢(shì)。
　　
　　CPLD的應(yīng)用
　　
　　在便攜式產(chǎn)品中，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)一般用于電源上電時(shí)序、電平轉(zhuǎn)換、時(shí)序控制、接口轉(zhuǎn)換，I/O擴(kuò)展和分立邏輯功能等。CPLD僅需幾微秒就能上電，這使得它能控制系統(tǒng)中其他器件的上電時(shí)序。
　　
　　在便攜系統(tǒng)中，CPLD也被用來(lái)連接不同工作電壓的多個(gè)器件。例如，在移動(dòng)電話中，微控制器需要與工作在不同電壓的外圍器件、定時(shí)器和存儲(chǔ)器連接。最新一代的CPLD可以與3.3V~1.5V之間的不同電壓連接，因?yàn)樗鼈冇幸粋€(gè)獨(dú)立于輸出電壓(Vccio)的核心電源電壓(Vccint)。CPLD的每個(gè)I/O組可配置成與邏輯器件接口相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立工作電壓。圖1給出了典型便攜系統(tǒng)中的CPLD的功能。

　　
　　圖1：典型便攜式系統(tǒng)中的CPLD的功能。
　　
　　通用I/O擴(kuò)展是CPLD可與微控制器、ASIC或ASSP協(xié)同工作的另一個(gè)領(lǐng)域，它增加可用I/O的總數(shù)目。CPLD額外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能與外設(shè)接口，還能重復(fù)編程。CPLD也可以用做接口轉(zhuǎn)換，連接諸如I2C、SPI和存儲(chǔ)器的不同接口，以及在便攜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)液晶面板的時(shí)序控制。
　　
　　當(dāng)為便攜式應(yīng)用選擇邏輯解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮的主要因素包括：上市時(shí)間、設(shè)計(jì)的靈活性、待機(jī)功耗，電路板尺寸以及系統(tǒng)集成的選擇。
　　
　　上市時(shí)間和設(shè)計(jì)靈活性
　　
　　越來(lái)越短的產(chǎn)品生命周期對(duì)手持設(shè)備設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)，他們必須提供消費(fèi)者期望的新產(chǎn)品和新特性。對(duì)大批量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，ASIC也許能提供較低的單價(jià)，但ASIC的一次性工程費(fèi)用(NRE)很高，開(kāi)發(fā)時(shí)間很長(zhǎng)。如果ASIC的功能出錯(cuò)，或由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或市場(chǎng)需求發(fā)生變化而需要重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，就會(huì)再次產(chǎn)生非常高的費(fèi)用，包括工程資源、新的掩膜板和軟件設(shè)計(jì)工具。此外，從開(kāi)始實(shí)施新的修改方案到流片，再到批量生產(chǎn)，這過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間，通常是幾個(gè)月到一年。
　　
　　與ASIC相比，ASSP的NRE較低，因?yàn)樵S多客戶都在使用它們。不過(guò)，它們卻限制了設(shè)計(jì)人員提供產(chǎn)品差異性的能力。
　　
　　CPLD使設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行隨心所欲地開(kāi)發(fā)、測(cè)試和修改設(shè)計(jì)，而不會(huì)產(chǎn)生任何掩膜成本或設(shè)計(jì)費(fèi)用。由于CPLD可重復(fù)編程的特性，即使設(shè)備已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員依然可以使用軟件設(shè)計(jì)工具在最后一刻修正錯(cuò)誤并進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)。因此，設(shè)計(jì)人員能應(yīng)對(duì)不斷變化的要求和標(biāo)準(zhǔn)，并迅速給市場(chǎng)提供新的差異化產(chǎn)品，而無(wú)需做任何設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)電路板。
　　
　　功耗
　　
　　CPLD的功耗通常分為兩個(gè)部分：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗是指器件中沒(méi)有信號(hào)跳變情況下消耗的功率。動(dòng)態(tài)功耗是器件中有信號(hào)跳變情況下消耗的功率，且與內(nèi)部電容，跳轉(zhuǎn)頻率和跳轉(zhuǎn)電壓成正比。對(duì)便攜式系統(tǒng)而言，待機(jī)時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員要盡量減少邏輯電路的靜態(tài)功耗，以盡量延長(zhǎng)電池充電或更換的時(shí)間間隔。如今的低功耗CPLD的最大靜態(tài)功耗為10~150uA，主要取決于器件的邏輯密度。
　　
　　為進(jìn)一步減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗，有些CPLD允許用戶有選擇性地關(guān)閉未使用的輸入引腳(稱為“輸入選通”)，包括使能I/O引腳和輸入緩沖器之間的復(fù)用器，及其CPLD內(nèi)的相關(guān)電路(如圖2所示)。激活使能信號(hào)時(shí)，所有的輸入被隔離或處于關(guān)閉狀態(tài)，從而使其中任何輸入變化都不會(huì)引起內(nèi)部引腳的變化。因此，即使I/O引腳的輸入在變化，也不會(huì)影響器件的內(nèi)部動(dòng)態(tài)功耗。