ACTEL FPGA 在便攜式系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

在上世紀(jì)最后的十年里，重復(fù)可編程邏輯器件大放異彩，在通信行也得到了廣泛的應(yīng)用，這一時(shí)期FPGA 競(jìng)爭(zhēng)基本上集中在容量，性能， IO 標(biāo)準(zhǔn)方面。而在便攜應(yīng)用方面因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA 的高昂的價(jià)格，驚人的功耗基本上很少應(yīng)用。

然而今天，隨著全球環(huán)境惡化， 能源緊缺，各種個(gè)人電子消費(fèi)產(chǎn)品便攜式設(shè)備如MP3播放器, GPS導(dǎo)航儀，個(gè)人移動(dòng)電話 ，游戲機(jī)價(jià)格猛烈下降，大量進(jìn)入普通人家庭，能耗問題已變得日益重要，更由于產(chǎn)品平臺(tái)化，競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化；產(chǎn)品生命周期的縮短，天文數(shù)字般的ASIC 掩模費(fèi)用，工藝改進(jìn)使得FPGA的功耗降到了可與傳統(tǒng)ASIC 相當(dāng)?shù)乃?，都使可編程器件在消費(fèi)電子產(chǎn)品中可能找到自己的位置，最近非易失可編程器件的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)公司愛特公司 (Actel) 推出了它的低功耗，低價(jià)格，小封裝的FPGA 產(chǎn)品 Nano IGLOO 和Nano ProASIC3 ，最低功耗為2uW，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手FPGA相比，功耗僅為其十五分之一。與此同時(shí)，封裝尺寸縮減至3mmx3mm，價(jià)格低于1美元，從而打破FPGA在消費(fèi)電子領(lǐng)域的最后一個(gè)障礙。

那么可編程器件又是如何適應(yīng)在消費(fèi)電子中應(yīng)用呢？
　
通常都是電池供電的，電池壽命一直以來都是便攜式電子設(shè)備最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，在過去的四十年間，半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展基本上遵循摩爾定律，每十八個(gè)月電路容量提高一倍。對(duì)應(yīng)工藝的改進(jìn)，每個(gè)電路單元的功耗也相應(yīng)減少一半。但由于電子設(shè)備功能的增加超過了功耗降低的速度，總體的來說，消費(fèi)電子的功耗變的越來越大，直到現(xiàn)在我們也看不出有什么因素能改變這一趨勢(shì)，但另一方面，電池技術(shù)的發(fā)展卻相對(duì)緩慢，電池的供電能力并沒有什么突飛猛進(jìn)，十年前的手機(jī)的電池容量主流是700 mAhrs，今日大部分最新的手機(jī)電池是1250 mWhrs，但手機(jī)與過去相比，有 MP3、MPEG4 播放功能，有全球定位系統(tǒng)，具有藍(lán)牙，有WI-FI，能上網(wǎng)，能收發(fā)電子郵件，能看電子書，能瀏覽照片，能玩游戲，具有300萬像素的攝像頭。在可預(yù)知的未來，還有更多的功能將被集成進(jìn)來，因此我們只能從器件來改善，以在滿足不斷增加功能的條件下又能達(dá)到不低于過去的使用時(shí)間。

Actel Nano系列可編程器件，本身是非易失性器件，不需要常規(guī)的FPGA的上電配置（圖1），這減少了每次開關(guān)機(jī)時(shí)電路上電帶來的功率損失。


圖1

Actel Nano FPGA可工作在1.2V 或1.5V的內(nèi)核，1.2V 或1.5V 的輸入輸出端口可進(jìn)一步降低功耗，在其獨(dú)特的Flash*Freeze 模式下，功耗僅為2uW，同時(shí)能保留電路的內(nèi)部和端口電平狀態(tài)不變，而進(jìn)入和退出該模式僅需要1 us在該模式下，你無需圖2中的MOSFET 器件來關(guān)閉FPGA的內(nèi)核電壓，但可以獲得與關(guān)掉內(nèi)核幾乎同樣的節(jié)電效果。

圖2

對(duì)于大批量生產(chǎn)的消費(fèi)電子設(shè)備，PCB面積大小，組件清單的減少，器件單個(gè)價(jià)格直接影響著產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)系著產(chǎn)品的成敗， Actel FPGA器件不需要配置ROM, 不需要上電過程，在減少了組件清單的同時(shí)，也減少了PCB 面積，而其本身僅占用3mmx3mm；同時(shí)，它的低功耗又降低了對(duì)電源模塊以及系統(tǒng)散熱的要求。

消費(fèi)電子產(chǎn)品壽命的縮短，也給了FPGA用武之地，常規(guī)的手機(jī)芯片投放時(shí)間需要18個(gè)月左右，同時(shí)也需要數(shù)千萬美元的掩模費(fèi)用，而最近的統(tǒng)計(jì)表明，大部分中低端手機(jī)的壽命已縮短為6個(gè)月左右，一但用戶需要增加新的應(yīng)用，若原有的芯片集又沒有足夠的端口或資源來利用，客戶只能坐看機(jī)會(huì)喪失，然而通過 Nano FPGA，客戶就可能在原有芯片集設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)月內(nèi)很快的推出擁有新的性能的產(chǎn)品。

FPGA 可以很容易的實(shí)現(xiàn)手機(jī)或其它便攜式系統(tǒng)以下功能，如鍵盤掃描， LCD控制，GPIO 擴(kuò)展， 電平轉(zhuǎn)換， LED 控制，手機(jī)馬達(dá)控制，存儲(chǔ)端口擴(kuò)展，總線變換，邏輯膠合等，而所有這一切都可以不到一個(gè)美元來實(shí)現(xiàn)。

比如鍵盤掃描與常規(guī)的CPU 控制實(shí)現(xiàn)相比，不但很容易增加新的鍵盤按鍵，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)也大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，而且功耗更優(yōu)化。