FPGA提升智能手機設(shè)計差異化

當今手機行業(yè)的創(chuàng)新速度之快可謂前所未有，用戶不斷對手機提出更多的要求。智能手機、平板電腦和其它電池供電設(shè)備已經(jīng)不再是簡單的通信設(shè)備。現(xiàn)在通過集成諸多的“一直在線”的功能（如導(dǎo)航、電子郵件、電話、互聯(lián)網(wǎng)接入和相機等），它們可以提供許多的個人服務(wù)。

　　在兩大領(lǐng)先操作系統(tǒng)之間進行選擇時，智能手機設(shè)計人員需要依賴硬件實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，從而在激烈的競爭中立于不敗之地?？删幊踢壿嬈骷梢詾槭謾C系統(tǒng)架構(gòu)師提供快速創(chuàng)新，給他們的產(chǎn)品增加新功能。這正是可編程邏輯器件可以為手機系統(tǒng)帶來直接價值的體現(xiàn)。下面的一些例子說明了為什么使用低成本、低功耗的可編程邏輯器件可以為手機設(shè)計帶來附加價值以及如何才能成功地實現(xiàn)。

　　手機行業(yè)內(nèi)不同步的產(chǎn)品開發(fā)周期

　　閱讀這篇文章的讀者可能已經(jīng)知道，手機和芯片廠商的產(chǎn)品設(shè)計周期完全不同。我們會發(fā)現(xiàn)，通常每隔一個月就會有新的手機模型推出，而芯片廠商發(fā)布新版本芯片的節(jié)奏則慢得多。雖然這有著現(xiàn)實和明顯的原因，但是手機系統(tǒng)架構(gòu)師也面臨著實實在在的設(shè)計挑戰(zhàn)，即如何實現(xiàn)芯片廠商所無法支持的越來越快的產(chǎn)品創(chuàng)新周期。最近公布的MIPI電池接口（BIF）標準就是一個很好的例子。

　　MIPI電池接口標準

　　雙核和四核處理器的使用以及市場對增強用戶體驗的需求會導(dǎo)致功耗增加，而對電池供電、壽命和使用時間產(chǎn)生直接影響。如何取得最佳的電池供電、電池容量、化學(xué)、安全性和外形尺寸之間的平衡是一個重要的設(shè)計挑戰(zhàn)。MIPI-BIF建立的通信協(xié)議為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一種方法：在有需要時才讀取參數(shù)，從而優(yōu)化設(shè)備使用時的功耗并優(yōu)化電池充電。對于需要確保用戶安全的系統(tǒng)，它還提供了一種方法來驗證電池。雖然MIPI標準已經(jīng)公布，但是芯片廠商卻仍然需要時間，將該標準加入到他們的產(chǎn)品當中。然而，手機設(shè)計人員則可能希望更快地利用MIPI-BIF的優(yōu)勢?？删幊踢壿嬈骷头浅＿m合在這種情況下使用，因為其可以使移動系統(tǒng)架構(gòu)師使用現(xiàn)有的芯片或應(yīng)用處理器來實現(xiàn)新的標準。事實上，MIPI發(fā)布BIF標準不久后，萊迪思（Lattice）半導(dǎo)體公司就宣布支持該標準，并與主要客戶合作，開始著手實現(xiàn)。

　　圖1是使用低成本、低功耗的FPGA在現(xiàn)有的應(yīng)用處理器和最近發(fā)布的MIPI-BIF標準之間構(gòu)建橋接的示例。使用低功耗FPGA可以實現(xiàn)BIF電池通信線（BCL）上的通信。由于在應(yīng)用處理器側(cè)通常都有I2C接口，因此該接口是連接主應(yīng)用處理器和FPGA的最佳選擇。在I2C標準之上定義了一個簡單的協(xié)議，以實現(xiàn)主機和FPGA之間的通信。如果需要的話，可以很容易地采用FPGA解決方案定制主機接口。同時，可以使用FPGA進一步定制BIF接口/協(xié)議。此外，F(xiàn)PGA還為客戶提供了靈活性，甚至是在同一個低功耗的FPGA器件內(nèi)集成其他功能。通過使用低功耗FPGA與應(yīng)用處理器相結(jié)合，手機制造商可以根據(jù)需要在他們的產(chǎn)品中實現(xiàn)大量的差異化特性/功能，從而使其產(chǎn)品與眾不同。

　　圖1 使用低功耗FPGA實現(xiàn)新的標準。
由于芯片廠商不支持某些標準而降低了靈活性

　　盡管長久以來大多數(shù)芯片制造商一直宣傳和吹噓“片上系統(tǒng)”和“全面集成”，芯片組通常設(shè)計用于滿足廣泛的市場需求，因而可能不支持某些特殊的標準。這就無法為手機系統(tǒng)架構(gòu)師提供寶貴的靈活性。此外，在芯片制造商采用新標準時，他們往往就會從其產(chǎn)品系列中完全刪除舊標準。這就進而從手機制造商的系統(tǒng)架構(gòu)師和器件采購團隊手中奪走了寶貴的靈活性。往往在這些情況下，系統(tǒng)架構(gòu)師可能會因為最新的特性而希望采用最新的芯片組解決方案，而采購團隊則可能希望繼續(xù)使用某些舊的標準（即使最新的芯片組并不支持），以提供供應(yīng)的靈活性。

　　在此，F(xiàn)PGA可以再一次提供極大價值。圖2說明了如何使用低成本、低功耗的FPGA，通過提供一種簡單方法橋接兩種不同標準，實現(xiàn)設(shè)計的靈活性。從圖中可以看到，如何使用具有定制接口的地面電視廣播調(diào)諧芯片與不支持該接口的應(yīng)用處理器連接。圖2中的主機接口采用SPI總線連接，該總線在應(yīng)用處理器中十分常見。同時，與應(yīng)用處理器之間的通信可以使用FPGA按需求進行定制。

　　圖2：使用低功耗FPGA實現(xiàn)接口橋接。

　　智能手機中的傳感器數(shù)量急劇增長。高端智能手機中使用了多種傳感器，如陀螺儀、多攝像頭、觸摸屏、加速度計、磁力計、環(huán)境光傳感器和GPS等。未來的手機將能感應(yīng)到更多的周邊環(huán)境信息（感應(yīng)海拔、溫度和濕度等），同時提供更多的增值功能（如人體生命體征的監(jiān)測）。傳感器的大量使用對用戶體驗有著很大的影響。例如，大多數(shù)智能手機用戶都知道使用GPS導(dǎo)航對電池續(xù)航時間有著直接和顯著的影響。

　　此外，一些智能手機的操作系統(tǒng)規(guī)定了某些關(guān)鍵傳感器（如觸摸傳感器）的輪詢頻率。觸摸傳感器可能需要以數(shù)百kHz的頻率輪詢，以確保良好的用戶體驗。在那些應(yīng)用處理器直接與傳感器相連的架構(gòu)中，傳感器需要由應(yīng)用處理器主動管理，這對功耗有直接影響。

　　圖3顯示的是使用一個低功耗FPGA與應(yīng)用處理器相結(jié)合，實現(xiàn)移動平臺上傳感器管理的結(jié)構(gòu)圖。獨立I2C主器件可用于管理不同的傳感器，以確保每個傳感器的輸出正確。需要更高的吞吐量的傳感器（如觸摸傳感器），可以在需要時使用獨立的I2C總線連接到FPGA。智能傳感器集線器可以設(shè)計為將不同傳感器產(chǎn)生的中斷聚合起來，根據(jù)預(yù)定義條件，產(chǎn)生應(yīng)用處理器中斷。這種設(shè)計方法可以使應(yīng)用處理器長時間進入待機狀態(tài)，從而降低功耗，或者釋放應(yīng)用處理器以執(zhí)行其他重要任務(wù)。

　　圖3：將FPGA用作智能傳感器集線器。

　　本文小結(jié)

　　手機市場的競爭十分激烈，許多手機制造商不斷推出新的產(chǎn)品。手機制造商的產(chǎn)品開發(fā)周期與芯片或應(yīng)用處理器的開發(fā)周期完全不同。在某些情況下，這成為了手機制造商需要在其產(chǎn)品中實現(xiàn)尖端功能的一個瓶頸。此外，產(chǎn)品的差異化已經(jīng)成為一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，因為手機采用了相同的操作系統(tǒng)，而使得消費者可能獲得相似的用戶體驗。因此，手機制造商需要利用硬件特性來區(qū)分他們的產(chǎn)品。手機系統(tǒng)設(shè)計師不斷嘗試在增加新功能、降低功耗和成本之間取得平衡。在這樣一個充滿活力的環(huán)境中，低成本、低功耗的FPGA（如萊迪思半導(dǎo)體公司的iCE40器件）將是幫助手機架構(gòu)師設(shè)計新功能、實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的理想選擇。