FPGA提升智能手機設計差異化

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備已經(jīng)不再是簡單的通信設備。現(xiàn)在通過集成諸多的“一直在線”的功能（如導航、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。

　　在兩大領先操作系統(tǒng)之間進行選擇時，智能手機設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)架構師也面臨著實實在在的設計挑戰(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、安全性和外形尺寸之間的平衡是一個重要的設計挑戰(zhàn)。MIPI-BIF建立的通信協(xié)議為系統(tǒng)設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)架構師使用現(xiàn)有的芯片或應用處理器來實現(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)有的應用處理器和最近發(fā)布的MIPI-BIF標準之間構建橋接的示例。使用低功耗FPGA可以實現(xiàn)BIF電池通信線（BCL）上的通信。由于在應用處理器側(cè)通常都有I2C接口，因此該接口是連接主應用處理器和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，該總線在應用處理器中十分常見。同時，與應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到更多的周邊環(huán)境信息（感應海拔、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。在那些應用處理器直接與傳感器相連的架構中，傳感器需要由應用處理器主動管理，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計為將不同傳感器產(chǎn)生的中斷聚合起來，根據(jù)預定義條件，產(chǎn)生應用處理器中斷。這種設計方法可以使應用處理器長時間進入待機狀態(tài)，從而降低功耗，或者釋放應用處理器以執(zhí)行其他重要任務。

　　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（如萊迪思半導體公司的iCE40器件）將是幫助手機架構師設計新功能、實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的理想選擇。