低功耗橋接解決方案演繹技術(shù)新潮流

低功耗橋接解決方案演繹技術(shù)新潮流

Low Power Bridging Solutions

QuickLogic公司 大中國區(qū)總經(jīng)理 王家緒

　　FPGA以其設(shè)計(jì)靈活，易于修改，且沒有掩膜成本，沒有最小訂單數(shù)量限制的特性受到廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的青睞。然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也面臨著諸多挑戰(zhàn)，諸如：如何對新標(biāo)準(zhǔn)和附加功能進(jìn)行匹配、如何解決功耗和帶寬問題等。只有真正解決了這些問題，才能最大限度地發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的難題之一是各種器件之間的互不匹配。處理器局部總線、PCI總線、CF卡、Utopia，以及其他器件都采用各自的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，讓單一器件同時(shí)支持各種接口標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)工程師的迫切需要。同時(shí)芯片間接口新標(biāo)準(zhǔn)的層出不窮、附加功能的多樣性，使現(xiàn)有產(chǎn)品在滿足新接口標(biāo)準(zhǔn)的升級中遇到了挑戰(zhàn)。

　　更重要的是，在產(chǎn)品升級的過程中，降低功耗已經(jīng)成為整個(gè)設(shè)計(jì)流程的迫切要求。

　　因此，如何有效地解決接口多樣性帶來的橋接問題和如何實(shí)現(xiàn)低功耗是器件提供商面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　本文以Quicklogic的Eclipse II系列為例來說明低功耗的橋接解決方案。

超低功耗的可編程邏輯

　　Eclipse II是超低功耗工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)級FPGA器件，適用于需要在工業(yè)溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的各種應(yīng)用。系統(tǒng)容量從4.7萬到32萬門，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，其IP竊取安全保護(hù)功能可以對設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)進(jìn)行妥善保護(hù)，使之免受設(shè)計(jì)竊取行為和逆向設(shè)計(jì)的困擾。極低的功耗是Eclipse II系列的一大特色，它采用_Watt超低功耗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超低動(dòng)態(tài)功耗，待機(jī)電流低至14(A，在功耗方面大大優(yōu)于CPLD和以往的FPGA器件。由于最大限度降低了功耗，使用該器件的系統(tǒng)發(fā)熱量更小、使用的電池組也更小，系統(tǒng)體積和重量分別得到縮小和減輕，而且容易滿足散熱要求。

　　作為單芯片解決方案，Eclipse II系列具有瞬間導(dǎo)通能力，無需外部配置存儲(chǔ)器。其所有可編程器件都內(nèi)置了SRAM（可配置為FIFO或雙端口RAM），因而它們比沒有內(nèi)置SRAM的CPLD更能滿足橋接不同的接口標(biāo)準(zhǔn)的需求。

低功耗設(shè)計(jì)的工具

　　為了真正在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)低功耗能力，可以使用QuickLogic提供的包括全面整合的QuickWorks(r)設(shè)計(jì)開發(fā)軟件包、硬件開發(fā)工具和服務(wù)。比如說，PowerAware Placer、Power Calculator及Power Simulator可以幫助設(shè)計(jì)人員規(guī)劃和測量實(shí)際功耗；低功耗參考設(shè)計(jì)工具集（RDK）可以用于開發(fā)原型；以及多種側(cè)重于低功耗應(yīng)用的IP可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

　　RDK包括低功耗評估板、軟件工具和技術(shù)支持服務(wù)。我們可以利用低功耗RDK測試FPGA外圍的固化功能，同時(shí)簡便地驗(yàn)證自己的IP；還可以使用低功耗RDK測量實(shí)際芯片的設(shè)計(jì)性能和功耗，以確保芯片完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。工具中先進(jìn)的Power Calculator（功率計(jì)算器）能夠自動(dòng)地計(jì)算設(shè)計(jì)消耗的近似功率。

　　低功耗工具集評估板包括低功耗工具集板和功耗測量子板兩個(gè)評估板。低功耗工具集評估板使開發(fā)人員能夠方便地測試FPGA外圍的固化功能，同時(shí)為開發(fā)和驗(yàn)證自己的IP提供了一個(gè)易于使用的平臺(tái)。用戶可以用它同時(shí)測量實(shí)際芯片的設(shè)計(jì)性能和功耗，并在硬件開發(fā)的同時(shí)加快進(jìn)行軟件和固件的開發(fā)，以確保芯片完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，該工具集還可直接監(jiān)控所有FPGA I/O引腳，易于連接調(diào)試工具、示波器或邏輯分析儀。它還包括完整的RDK手冊、電路圖、PCB布局圖、機(jī)械圖紙和IP源代碼。

　　我們知道，一個(gè)軟件工具是否優(yōu)越，易用性在其中占了很大的比重。低功耗工具集采用圖形用戶界面（GUI），為用戶的訪問提供了一個(gè)易于使用的接口。它提供了所有的操作功能，可測試FPGA的功能，并提供了關(guān)于功耗的詳細(xì)信息，包括動(dòng)態(tài)電流耗用的分時(shí)圖形，如圖3所示。

低功耗橋接應(yīng)用案例

案例一：處理器與Wi-Fi接口

　　802.11a/b/g已經(jīng)成為無線數(shù)據(jù)傳輸最常用的標(biāo)準(zhǔn)，它最初是為筆記本電腦設(shè)計(jì)的，如今已經(jīng)進(jìn)入視頻監(jiān)控、IP電話、POS終端等應(yīng)用領(lǐng)域。目前，市場上802.11a/b/g芯片組最常用的接口是PCI。較新的嵌入式微處理器一般都集成了PCI接口，這使得與標(biāo)準(zhǔn)802.11a/b/g芯片組的連接非常便捷。然而，許多舊式處理器一般沒有內(nèi)置PCI接口，只有支持特定處理器的本地總線，甚至僅配備了一個(gè)存儲(chǔ)器接口。目前，市場上還沒有能夠與這些特定處理器本地總線直接通信的802.11a/b/g芯片。因此，我們需要利用橋接器件為采用傳統(tǒng)處理器的系統(tǒng)增加無線連接功能。此類橋接設(shè)備可幫助用戶最大限度地利用他們在這些系統(tǒng)的軟硬件和IP方面的投資。采用_Watt技術(shù)的可編程橋接解決方案可幫助設(shè)計(jì)者擴(kuò)展Intel XScale微架構(gòu)本機(jī)外圍設(shè)備的范圍，實(shí)現(xiàn)了與Wi-Fi、超寬帶和USB2.0等基于PCI的外設(shè)的通信。

案例二：處理器與USB2.0接口

　　目前USB已經(jīng)成為外設(shè)與基于微處理器的數(shù)字系統(tǒng)連接最常用的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、機(jī)頂盒等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的微處理器一般都集成了USB1.1控制器。然而，USB2.0的推出使諸如硬盤驅(qū)動(dòng)器或DVD刻錄機(jī)/驅(qū)動(dòng)器等外設(shè)能夠以更高的速率傳輸數(shù)據(jù)，因此基于USB2.0的外設(shè)數(shù)量正在不斷增加。不過，許多舊式處理器并不支持這一新標(biāo)準(zhǔn)。這就需要采用橋接設(shè)備來最大限度地利用在這些處理器的軟硬件和IP上的投資。具備_Watt技術(shù)的解決方案可為沒有配備內(nèi)置USB2.0或PCI接口的處理器提供完善的方案，可以橋接通用微處理器接口和USB2.0主機(jī)控制器的PCI端。

案例三：CardBus宿主設(shè)備

　　隨著便攜式和嵌入式系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，對于模塊化和擴(kuò)展能力的要求也越來越高。許多便攜式系統(tǒng)需要支持一個(gè)或兩個(gè)用于擴(kuò)充模塊的CardBus插槽。標(biāo)準(zhǔn)CardBus宿主設(shè)備一般只有一個(gè)PCI接口，不能與許多嵌入式處理器無縫地工作。低功耗FPGA可以輕松實(shí)現(xiàn)不同嵌入式處理器和CardBus插槽的橋接。

案例四：CardBus卡

　　CardBus是高數(shù)據(jù)吞吐帶寬的移動(dòng)系統(tǒng)擴(kuò)展卡的主流標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)CardBus卡時(shí)面臨著多方面的挑戰(zhàn)——最大功率限定在3W，初始化過程的最大電流限定在70mA；同時(shí)，卡的高度受到嚴(yán)格限制，而且設(shè)計(jì)的應(yīng)用部分必須與支持CardBus標(biāo)準(zhǔn)所有功能的接口器件共享較小的主板空間。采用合適封裝的低功耗QuickPCI器件解決了所有上述挑戰(zhàn)，可使設(shè)計(jì)人員以最少的精力投入來進(jìn)行全功能的CardBus設(shè)計(jì)。

　　目前，低功耗橋接解決方案已經(jīng)成功地幫助許多客戶在極短的時(shí)間內(nèi)為現(xiàn)有產(chǎn)品增加了附加功能。這些應(yīng)用包括：無線IP電話、Wi-Fi監(jiān)控系統(tǒng)、無線POS系統(tǒng)、便攜式視頻播放器、基于PCI的監(jiān)控系統(tǒng)和PCI插卡。

結(jié)論

　　低功耗及高性能的標(biāo)準(zhǔn)的FPGA日益受到設(shè)計(jì)人員的青睞，而具有高性能邏輯、專用的SRAM、靈活的時(shí)鐘架構(gòu)的產(chǎn)品，為要求超低功耗、小尺寸封裝和設(shè)計(jì)高度安全的FPGA、CPLD和ASIC應(yīng)用的設(shè)計(jì)者提供了多樣化的解決方案。它在處理器和大批面向便攜和手持市場的新興網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和媒體處理技術(shù)之間架起了一座實(shí)現(xiàn)低功耗連通的橋梁。它將幫助設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)平衡對功耗、性能和成本的選擇，同時(shí)有效地減少風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品投放市場時(shí)間，并減少開發(fā)成本。