FPGA提升智能手機(jī)設(shè)計(jì)差異化

當(dāng)今手機(jī)行業(yè)的創(chuàng)新速度之快可謂前所未有，用戶不斷對(duì)手機(jī)提出更多的要求。智能手機(jī)、平板電腦和其它電池供電設(shè)備已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的通信設(shè)備。現(xiàn)在通過(guò)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(jī)等），它們可以提供許多的個(gè)人服務(wù)。

　　在兩大領(lǐng)先操作系統(tǒng)之間進(jìn)行選擇時(shí)，智能手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要依賴硬件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，從而在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地?？删幊踢壿嬈骷梢詾槭謾C(jī)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(jī)系統(tǒng)帶來(lái)直接價(jià)值的體現(xiàn)。下面的一些例子說(shuō)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(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)附加價(jià)值以及如何才能成功地實(shí)現(xiàn)。

　　手機(jī)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(jī)和芯片廠商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期完全不同。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，通常每隔一個(gè)月就會(huì)有新的手機(jī)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(shí)和明顯的原因，但是手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)師也面臨著實(shí)實(shí)在在的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，即如何實(shí)現(xiàn)芯片廠商所無(wú)法支持的越來(lái)越快的產(chǎn)品創(chuàng)新周期。最近公布的MIPI電池接口（BIF）標(biāo)準(zhǔn)就是一個(gè)很好的例子。

　　MIPI電池接口標(biāo)準(zhǔn)

　　雙核和四核處理器的使用以及市場(chǎng)對(duì)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的需求會(huì)導(dǎo)致功耗增加，而對(duì)電池供電、壽命和使用時(shí)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(gè)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。MIPI-BIF建立的通信協(xié)議為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種方法：在有需要時(shí)才讀取參數(shù)，從而優(yōu)化設(shè)備使用時(shí)的功耗并優(yōu)化電池充電。對(duì)于需要確保用戶安全的系統(tǒng)，它還提供了一種方法來(lái)驗(yàn)證電池。雖然MIPI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)公布，但是芯片廠商卻仍然需要時(shí)間，將該標(biāo)準(zhǔn)加入到他們的產(chǎn)品當(dāng)中。然而，手機(jī)設(shè)計(jì)人員則可能希望更快地利用MIPI-BIF的優(yōu)勢(shì)。可編程邏輯器件就非常適合在這種情況下使用，因?yàn)槠淇梢允挂苿?dòng)系統(tǒng)架構(gòu)師使用現(xiàn)有的芯片或應(yīng)用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，MIPI發(fā)布BIF標(biāo)準(zhǔn)不久后，萊迪思（Lattice）半導(dǎo)體公司就宣布支持該標(biāo)準(zhǔn)，并與主要客戶合作，開始著手實(shí)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(biāo)準(zhǔn)之間構(gòu)建橋接的示例。使用低功耗FPGA可以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)之上定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)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(jī)接口。同時(shí)，可以使用FPGA進(jìn)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(gè)低功耗的FPGA器件內(nèi)集成其他功能。通過(guò)使用低功耗FPGA與應(yīng)用處理器相結(jié)合，手機(jī)制造商可以根據(jù)需要在他們的產(chǎn)品中實(shí)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(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)。
由于芯片廠商不支持某些標(biāo)準(zhǔn)而降低了靈活性

　　盡管長(zhǎng)久以來(lái)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(jì)用于滿足廣泛的市場(chǎng)需求，因而可能不支持某些特殊的標(biāo)準(zhǔn)。這就無(wú)法為手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)，他們往往就會(huì)從其產(chǎn)品系列中完全刪除舊標(biāo)準(zhǔn)。這就進(jìn)而從手機(jī)制造商的系統(tǒng)架構(gòu)師和器件采購(gòu)團(tuán)隊(duì)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(huì)因?yàn)樽钚碌奶匦远Ｍ捎米钚碌男酒M解決方案，而采購(gòu)團(tuán)隊(duì)則可能希望繼續(xù)使用某些舊的標(biāo)準(zhǔn)（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(jià)值。圖2說(shuō)明了如何使用低成本、低功耗的FPGA，通過(guò)提供一種簡(jiǎn)單方法橋接兩種不同標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)，與應(yīng)用處理器之間的通信可以使用FPGA按需求進(jìn)行定制。

　　圖2：使用低功耗FPGA實(shí)現(xiàn)接口橋接。

　　智能手機(jī)中的傳感器數(shù)量急劇增長(zhǎng)。高端智能手機(jī)中使用了多種傳感器，如陀螺儀、多攝像頭、觸摸屏、加速度計(jì)、磁力計(jì)、環(huán)境光傳感器和GPS等。未來(lái)的手機(jī)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(shí)提供更多的增值功能（如人體生命體征的監(jiān)測(cè)）。傳感器的大量使用對(duì)用戶體驗(yàn)有著很大的影響。例如，大多數(shù)智能手機(jī)用戶都知道使用GPS導(dǎo)航對(duì)電池續(xù)航時(shí)間有著直接和顯著的影響。

　　此外，一些智能手機(jī)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(yàn)。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(dòng)管理，這對(duì)功耗有直接影響。

　　圖3顯示的是使用一個(gè)低功耗FPGA與應(yīng)用處理器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)上傳感器管理的結(jié)構(gòu)圖。獨(dú)立I2C主器件可用于管理不同的傳感器，以確保每個(gè)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(shí)使用獨(dú)立的I2C總線連接到FPGA。智能傳感器集線器可以設(shè)計(jì)為將不同傳感器產(chǎn)生的中斷聚合起來(lái)，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(jì)方法可以使應(yīng)用處理器長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入待機(jī)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(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，許多手機(jī)制造商不斷推出新的產(chǎn)品。手機(jī)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(jī)制造商需要在其產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)尖端功能的一個(gè)瓶頸。此外，產(chǎn)品的差異化已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭謾C(jī)采用了相同的操作系統(tǒng)，而使得消費(fèi)者可能獲得相似的用戶體驗(yàn)。因此，手機(jī)制造商需要利用硬件特性來(lái)區(qū)分他們的產(chǎn)品。手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)架構(gòu)師設(shè)計(jì)新功能、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的理想選擇。