基于FPGA的數(shù)字顯示系統(tǒng)設計

本文以Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為例，說明采用ＦＰＧＡ方案進行數(shù)字顯示系統(tǒng)設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統(tǒng)級芯片（ＳｏＣ）解決方案被譽為半導體業(yè)最重要的發(fā)展之一，目前，從數(shù)字手機和數(shù)字電視等消費類電子產(chǎn)品到高端通信ＬＡＮ／ＷＡＮ設備中，這一器件隨處可見。過去，為了創(chuàng)建此類嵌入式系統(tǒng)，設計工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲器等三種硬件中進行選擇，而現(xiàn)在這些器件已合并為單一的ＳｏＣ解決方案。

ＳｏＣ面臨的挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)ＳｏＣ可采用現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）或專用集成電路（ＡＳＩＣ）實現(xiàn)。開發(fā)新型ＳｏＣ器件需要解決的幾個關鍵問題包括：新的設計工具、先進的工藝技術及半導體ＩＰ。盡管在技術上十分先進，基于ＡＳＩＣ的ＳｏＣ產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至會因此難以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰(zhàn)：

１．系統(tǒng)復雜性不斷增加，因此更容易引起設計錯誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會導致成本上升。

２．上市時間壓力更大?？s短上市時間面臨著許多內(nèi)部及外部壓力要求，因為現(xiàn)在的設計方法仍然按照傳統(tǒng)ＡＳＩＣ時間進度實施。
３．產(chǎn)品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產(chǎn)品進行設計復用的要求更強了。
４．多種業(yè)界標準并存。各種新的業(yè)界標準不斷產(chǎn)生和更新，因此產(chǎn)品難以與業(yè)界標準的變化保持同步。
５．可用于不同產(chǎn)品的設計靈活性較差。
６．可重配置及現(xiàn)場升級性能缺乏。

現(xiàn)在，基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ可以解決以前基于ＡＳＩＣ的ＳｏＣ無法完成的任務和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場升級、減少產(chǎn)品上市時間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標準要求?；冢疲校牵恋模樱铮迷O計可用于多種場合，其中從ＡＳＩＣ向ＦＰＧＡ轉型中受益最多的應用包括：

１．通信及網(wǎng)絡：網(wǎng)絡及無線基礎設施。
２．數(shù)據(jù)處理：服務器及存儲設備。
３．消費類電子產(chǎn)品：數(shù)字機頂盒、數(shù)字電視和個人攝像機。

ＡＳＩＣ在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢；而ＦＰＧＡ則在上市時間、建模時間及升級能力上稍勝一籌，這些是權衡設計中ＦＰＧＡ和ＡＳＩＣ取舍的基本依據(jù)。與ＡＳＩＣ相比，ＦＰＧＡ最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內(nèi)部互聯(lián)來實現(xiàn)編程。由于ＡＳＩＣ所用的晶體管數(shù)較少，因此就這一方面而言，ＡＳＩＣ的器件成本通常比ＦＰＧＡ要低。不過，根據(jù)摩爾定律所述，ＦＰＧＡ和ＡＳＩＣ在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。如圖１所示，芯片內(nèi)連技術，如采用更多金屬層及銅連線，有助于縮?。疲校牵梁停粒樱桑弥g的成本、密度及性能差距。此外，在計算基于ＡＳＩＣ或ＦＰＧＡ的ＳｏＣ成本時，除了生產(chǎn)成本外，設計開發(fā)所需的時間和經(jīng)費也是一項重要的考慮因素。

Ｘｉｌｉｎｘ的可編程邏輯器件的發(fā)展過程。ＦＰＧＡ最初僅提供簡單的邏輯解決方案組合，然后發(fā)展為ＰｌａｔｆｏｒｍｓＦＰＧＡ，在功能及總成本上均為系統(tǒng)結構設計工程師提供了極大價值?，F(xiàn)在，從網(wǎng)絡設備到高端消費類器件，ＦＰＧＡ均開始了大批量生產(chǎn)。下面以ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ方案為例，說明基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ方案的特點。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ解決方案

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ是高性能的ＳｏＣ解決方案，下面對其特點進行概要介紹。

Ａ．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ模型

以因特網(wǎng)、無線、全球化及個人通信為代表的信息化時代要求設備生產(chǎn)商在標準通信系統(tǒng)中增加數(shù)據(jù)率及通道數(shù)，以支持視頻流、音頻流及數(shù)據(jù)流。ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為生產(chǎn)商提供了所需的系統(tǒng)靈活性、上市時間并可支持高帶寬要求。此外，ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ提供了用于嵌入式處理器的系統(tǒng)控制、用于客戶訂制數(shù)據(jù)濾波及并行處理的ＤＳＰ內(nèi)核以及用于系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)通信的吉比特串行及源同步Ｉ／Ｏ口。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系統(tǒng)門密度為４萬到８００萬不等，可提供嵌入式系統(tǒng)存儲器。由于這種高密度片上存儲器可提供快速高效的ＦＩＦＯ緩沖區(qū)、移位寄存器及ＣＡＭ，因此增加了整體系統(tǒng)帶寬。嵌入式ＲＡＭ模塊及高速存儲接口為帶寬要求很高的系統(tǒng)提供了強大的、基于存儲器的數(shù)據(jù)通道。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ器件及其擴展器件所提供的ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ功能可解決系統(tǒng)級設計中面臨的信號完整性、復雜系統(tǒng)時鐘管理及板上ＥＭＩ管理等問題。

Ｂ．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的軟硬內(nèi)核

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ是一種靈活的解決方案，它在單芯片上集成了一系列軟硬ＩＰ內(nèi)核，同時硬件和固件可隨時升級。ＦＰＧＡ架構的可編程性縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，單個ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ就可滿足多種應用需要。此外，它還提供了軟硬件協(xié)同設計的靈活性，設計工程師可在開發(fā)周期內(nèi)便進行系統(tǒng)優(yōu)化。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ采用了ＩＰ插入和有源內(nèi)連技術。采用ＩＰ插入技術可將任何大小或形狀的軟硬ＩＰ內(nèi)核無縫地插入到ＦＰＧＡ架構中任何部分，并保持與周圍陣列極佳的連通性。而有源內(nèi)連技術則提供了有源的布線通道，使得軟硬ＩＰ內(nèi)核無論位于陣列何處均可保持穩(wěn)定、高效的性能。

處理器的性能

用于ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的ＥｍＰｏｗｅｒ！解決方案為嵌入式處理器提供了最高性能的可編程系統(tǒng)，同時還可自由選擇客戶訂制的解決方案。它所采用的嵌入式ＰｏｗｅｒＰＣ４０５微處理器內(nèi)核工作頻率為３００ＭＨｚ，可提供超過４２０ＭＩＰ的性能。此外，Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ器件上的ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ軟處理器內(nèi)核是３２位ＲＩＳＣ處理器，工作頻率為１２５ＭＨｚ，可提供８２ＭＩＰ的性能。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ解決方案中結合了嵌入式乘法器和增強的算術功能，具有超過０．５Ｔ－ＭＡＣ／ｓ的ＸｔｒｅｍｅＤＳＰ功能，比業(yè)界最先進的嵌入式ＤＳＰ處理器內(nèi)核快１００倍以上。將Ｘｉｌｉｎｘ的系統(tǒng)生成器與ＭａｔｈＷｏｒｋ的ＭＡＴＬＡＢ及Ｓｉｍｕｌｉｎｋ相結合，可為系統(tǒng)和ＤＳＰ設計工程師提供了一套他們熟悉的、完整的設計工具。
此外，ＳｙｓｔｅｍＩＯ充分解決了高性能設計中各式各樣的系統(tǒng)互聯(lián)問題，包括物理接口和協(xié)議，以提供更高的帶寬。為了使ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ能夠支持最快的通信標準，如１０Ｇ以太網(wǎng)、ＯＣ－１９２、Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ和ＸＡＵＩ接口標準，Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＦＰＧＡ中集成了速度高達吉比特的串行收發(fā)器。ＳｙｓｔｅｍＩＯ接口提供了最為靈活的解決方案來兼容一些新興的接口標準，其中包括ＲａｐｉｄＩＯ、ＬＤＴ、ＳＰＩ４、ＰＣＩ６６、ＰＣＩ、ＦｌｅｘＢｕｓ４及ＰＯＳ－ＰＨＹ４并行總線。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡＳｏＣ應用實例

一個基于ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的ＳｏＣ數(shù)字顯示應用實例。數(shù)字視頻設計中一個需要解決的關鍵問題是在同一塊電路板上實現(xiàn)不同元件之間以及不同產(chǎn)品間的接口問題。ＵＳＢ２．０、ＩＥＥＥ１３９４和ＰＣＩ可實現(xiàn)高速接口，而ＦＰＧＡ則提供了一種理想平臺，為不同的技術提供接口及協(xié)議轉換。

一般來說，數(shù)字視頻技術的基礎在于數(shù)字圖像處理。本方案中，ＦＰＧＡ可提供性能卓越的ＤＳＰ處理能力，因此可以通過可編程邏輯來實現(xiàn)數(shù)字圖像處理。ＦＰＧＡ為數(shù)字視頻流的編解碼提供了一種有效的解決方案，并廣泛用于色彩空間轉換功能、ＭＰＥＧ塊、轉換率控制及Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ和維特比解碼器等模塊。

顯示驅動電路采用ＦＰＧＡ則易于編程，可用來控制顯示所需的復雜時序信號，同時還可靈活地實現(xiàn)支持不同顯示元件的多種版本。

小結

現(xiàn)在的ＦＰＧＡ是一種快速有效的開發(fā)平臺，可加快開發(fā)周期，原因在于其擁有靈活的架構、先進的處理技術、強有力的軟件綜合技術及豐富的ＩＰ庫，可提供最完整的系統(tǒng)集成解決方案。