利用FPGA解決手持設(shè)備MPU功耗問(wèn)題

消費(fèi)類(lèi)手持設(shè)備市場(chǎng)正呈跳躍式發(fā)展。便攜式產(chǎn)品處理能力不斷增加，所支持的應(yīng)用越來(lái)越多；產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，新產(chǎn)品必須滿(mǎn)足上市時(shí)間要求，以便獲得最大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)；產(chǎn)品生命周期的縮短要求縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)更加強(qiáng)調(diào)可復(fù)用性和可重復(fù)編程能力。新興手持設(shè)備市場(chǎng)還有一個(gè)有趣的趨勢(shì)，即一個(gè)系列中的每種設(shè)備的出貨量越來(lái)越少，但系列設(shè)備間的定制功能卻越來(lái)越多，進(jìn)而有效提升了產(chǎn)品的總出貨量。這樣，關(guān)鍵挑戰(zhàn)就變成了如何開(kāi)發(fā)一個(gè)可廣泛復(fù)用同時(shí)又可定制的系統(tǒng)。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用FPGA進(jìn)行手持產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。FPGA的功能日益強(qiáng)大和豐富，而門(mén)數(shù)、面積和頻率也在不斷增加。FPGA的開(kāi)發(fā)和周轉(zhuǎn)時(shí)間要比定制ASIC短得多，可重復(fù)編程的額外優(yōu)勢(shì)使得FPGA成為手持嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中頗具吸引力的解決方案。在基于ASIC或FPGA的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真考慮某些性能標(biāo)準(zhǔn)，他們面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在面積、速度和功耗方面。

與ASIC一樣，供應(yīng)商在FPGA設(shè)計(jì)中也需要應(yīng)對(duì)面積和速度的挑戰(zhàn)。隨著門(mén)數(shù)不斷增加，F(xiàn)PGA需要更大的面積和尺寸來(lái)適應(yīng)更多的應(yīng)用，設(shè)計(jì)工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面積。不斷演進(jìn)的FPGA技術(shù)也給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一系列新的挑戰(zhàn)，電源利用率就是其中之一，這對(duì)于為手持或便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是急需解決的問(wèn)題。

嵌入式系統(tǒng)中的FPGA

典型的嵌入式系統(tǒng)由處理器、存儲(chǔ)器、包括USB、SPI、I^{2C在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)接口以及液晶顯示器、音頻輸出等外設(shè)組成。設(shè)備的核心仍是處理器和處理器接口，它們通過(guò)板載連線(xiàn)連接到各個(gè)外設(shè)。系統(tǒng)性能主要取決于處理器性能，而處理器通常具有非常標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，因而不容易定制。}

有時(shí)處理器可能忙于處理來(lái)自低速外設(shè)的信息，雖然在這種情況下處理器使用率可能達(dá)到100%，但并不是在做以微處理器為中心的事務(wù)，而是工作在特別低的性能水平。不管其內(nèi)核頻率是多少，微處理器必須等待來(lái)自低速時(shí)鐘的數(shù)據(jù)。這也會(huì)導(dǎo)致較高的功耗，因?yàn)樘幚砥鞯睦寐适?00%。其結(jié)果將縮短電池壽命，并且需要更大的散熱器或風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

于是，F(xiàn)PGA在這方面開(kāi)始發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗鼈兡軓奶幚砥餍遁d許多外設(shè)交互任務(wù)。如圖1所示，利用標(biāo)準(zhǔn)千兆TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的未壓縮音視頻數(shù)據(jù)流的嵌入式分布系統(tǒng)。它有一個(gè)專(zhuān)用DSP處理器，這個(gè)處理器通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口與賽靈思的FPGA相接，F(xiàn)PGA再連接到各個(gè)低速外設(shè)。

圖1：用于音頻/視頻分布系統(tǒng)的FPGA架構(gòu)。

作為啟動(dòng)開(kāi)發(fā)套件，這個(gè)FPGA通過(guò)I^{2S接口連接12位的PCM音頻輸入和12位的PCM音頻輸出；它還連接視頻編碼器和解碼器，并與I2C從器件和RS232器件進(jìn)行通信；連接到FPGA的通用I/O很少。與處理器相連的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)工作在高速的66MHz，而音頻外設(shè)工作在低速的1.182MHz；UART和I2C串行接口分別工作在56.6kHz和100kHz。由于數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在多個(gè)時(shí)鐘域，因而只有處理器能配置數(shù)據(jù)流。}

在這種情況下，處理器不再與低速外設(shè)交互，而由FPGA從低速的PCM ADC音頻器件讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在FPGA的內(nèi)部緩存中。處理器可以周期性地從這個(gè)緩存讀取數(shù)據(jù)，或者當(dāng)緩存中有足夠數(shù)據(jù)時(shí)，由FPGA向處理器發(fā)送一個(gè)中斷。這樣，處理器就有更多的時(shí)間執(zhí)行以處理器為中心的必要工作，在空閑時(shí)則進(jìn)入睡眠模式。

功耗問(wèn)題

在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，節(jié)能是最重要的考慮因素。功耗可以被分成三大類(lèi)：?jiǎn)?dòng)功耗、靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。設(shè)計(jì)人員無(wú)法控制啟動(dòng)功耗，而啟動(dòng)功耗在決定電源選型中扮演著重要的角色。大多數(shù)最大電流值指的就是這個(gè)階段所達(dá)到的值。但靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗是兩個(gè)不同的領(lǐng)域，通過(guò)合理的規(guī)劃和以下正確的指導(dǎo)原則，使用FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)人員可以在功耗優(yōu)化方面作出顯著改進(jìn)。

靜態(tài)功耗是指系統(tǒng)不工作時(shí)仍有電流流過(guò)元件時(shí)產(chǎn)生的功耗，一般由器件偏置電流和漏電流引起。靜態(tài)功耗也取決于工作電壓，降低工作電壓可以降低靜態(tài)功耗，但這個(gè)策略并不總是掌握在設(shè)計(jì)人員手中。設(shè)計(jì)人員能做的是定義合理的架構(gòu)，在這種架構(gòu)下需要使用的資源最少，同時(shí)盡可能使用資源共享，并以最高效的方式使用FPGA模塊。

減少靜態(tài)功耗的另外一種技術(shù)是在設(shè)計(jì)周期早期進(jìn)行功耗預(yù)估，改變拓?fù)浠蚴褂貌煌腎P模塊。例如，賽靈思的xPower Estimator工具這時(shí)就非常有用，它能很早知道設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足功耗預(yù)算。早期階段的功耗預(yù)估也許不完全準(zhǔn)確，但作為指導(dǎo)工具確實(shí)很有幫助。

動(dòng)態(tài)功耗是由于FPGA門(mén)的一些行為(比如信號(hào)開(kāi)關(guān))引起的，當(dāng)兩個(gè)門(mén)暫時(shí)導(dǎo)通時(shí)，將產(chǎn)生電流流動(dòng)和電容。信號(hào)開(kāi)關(guān)的速度決定了功耗的大小。影響動(dòng)態(tài)功耗的另外一個(gè)因素是電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)中形成的固有電容。動(dòng)態(tài)功耗是時(shí)鐘頻率、正在開(kāi)關(guān)的門(mén)數(shù)量和這些門(mén)開(kāi)關(guān)速率的函數(shù)。門(mén)扇出和走線(xiàn)上的電容負(fù)載會(huì)增加動(dòng)態(tài)功耗，并且功耗值正比于電容、電壓和頻率平方的乘積。