低功耗橋接解決方案演繹技術新潮流

Low Power Bridging Solutions

QuickLogic公司 大中國區總經理 王家緒

　　FPGA以其設計靈活，易于修改，且沒有掩膜成本，沒有最小訂單數量限制的特性受到廣大系統設計人員的青睞。然而，系統設計人員也面臨著諸多挑戰，諸如：如何對新標準和附加功能進行匹配、如何解決功耗和帶寬問題等。只有真正解決了這些問題，才能最大限度地發揮FPGA的優勢。

設計人員面臨的挑戰

　　系統設計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議標準，讓單一器件同時支持各種接口標準是設計工程師的迫切需要。同時芯片間接口新標準的層出不窮、附加功能的多樣性，使現有產品在滿足新接口標準的升級中遇到了挑戰。

　　更重要的是，在產品升級的過程中，降低功耗已經成為整個設計流程的迫切要求。

　　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現低功耗是器件提供商面臨的巨大挑戰。

　　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是超低功耗工業溫度標準級FPGA器件，適用于需要在工業溫度范圍內運行的各種應用。系統容量從4.7萬到32萬門，在知識產權保護方面，其IP竊取安全保護功能可以對設計者的設計進行妥善保護，使之免受設計竊取行為和逆向設計的困擾。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，實現了超低動態功耗，待機電流低至14(A，在功耗方面大大優于CPLD和以往的FPGA器件。由于最大限度降低了功耗，使用該器件的系統發熱量更小、使用的電池組也更小，系統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系列具有瞬間導通能力，無需外部配置存儲器。其所有可編程器件都內置了SRAM（可配置為FIFO或雙端口RAM），因而它們比沒有內置SRAM的CPLD更能滿足橋接不同的接口標準的需求。

低功耗設計的工具

　　為了真正在設計中實現低功耗能力，可以使用QuickLogic提供的包括全面整合的QuickWorks(r)設計開發軟件包、硬件開發工具和服務。比如說，PowerAware Placer、Power Calculator及Power Simulator可以幫助設計人員規劃和測量實際功耗；低功耗參考設計工具集（RDK）可以用于開發原型；以及多種側重于低功耗應用的IP可以縮短產品設計周期。

　　RDK包括低功耗評估板、軟件工具和技術支持服務。我們可以利用低功耗RDK測試FPGA外圍的固化功能，同時簡便地驗證自己的IP；還可以使用低功耗RDK測量實際芯片的設計性能和功耗，以確保芯片完全滿足設計目標。工具中先進的Power Calculator（功率計算器）能夠自動地計算設計消耗的近似功率。

　　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評估板。低功耗工具集評估板使開發人員能夠方便地測試FPGA外圍的固化功能，同時為開發和驗證自己的IP提供了一個易于使用的平臺。用戶可以用它同時測量實際芯片的設計性能和功耗，并在硬件開發的同時加快進行軟件和固件的開發，以確保芯片完全滿足設計目標。此外，該工具集還可直接監控所有FPGA I/O引腳，易于連接調試工具、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、機械圖紙和IP源代碼。

　　我們知道，一個軟件工具是否優越，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，并提供了關于功耗的詳細信息，包括動態電流耗用的分時圖形，如圖3所示。

低功耗橋接應用案例

案例一：處理器與Wi-Fi接口

　　802.11a/b/g已經成為無線數據傳輸最常用的標準，它最初是為筆記本電腦設計的，如今已經進入視頻監控、IP電話、POS終端等應用領域。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，這使得與標準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，甚至僅配備了一個存儲器接口。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處理器的系統增加無線連接功能。此類橋接設備可幫助用戶最大限度地利用他們在這些系統的軟硬件和IP方面的投資。采用_Watt技術的可編程橋接解決方案可幫助設計者擴展Intel XScale微架構本機外圍設備的范圍，實現了與Wi-Fi、超寬帶和USB2.0等基于PCI的外設的通信。

案例二：處理器與USB2.0接口

　　目前USB已經成為外設與基于微處理器的數字系統連接最常用的標準總線之一，廣泛應用于手持設備、機頂盒等領域。現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動器或DVD刻錄機/驅動器等外設能夠以更高的速率傳輸數據，因此基于USB2.0的外設數量正在不斷增加。不過，許多舊式處理器并不支持這一新標準。這就需要采用橋接設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技術的解決方案可為沒有配備內置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主機控制器的PCI端。

案例三：CardBus宿主設備

　　隨著便攜式和嵌入式系統變得日益復雜，對于模塊化和擴展能力的要求也越來越高。許多便攜式系統需要支持一個或兩個用于擴充模塊的CardBus插槽。標準CardBus宿主設備一般只有一個PCI接口，不能與許多嵌入式處理器無縫地工作。低功耗FPGA可以輕松實現不同嵌入式處理器和CardBus插槽的橋接。

案例四：CardBus卡

　　CardBus是高數據吞吐帶寬的移動系統擴展卡的主流標準。設計人員根據規范要求設計CardBus卡時面臨著多方面的挑戰——最大功率限定在3W，初始化過程的最大電流限定在70mA；同時，卡的高度受到嚴格限制，而且設計的應用部分必須與支持CardBus標準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，可使設計人員以最少的精力投入來進行全功能的CardBus設計。

　　目前，低功耗橋接解決方案已經成功地幫助許多客戶在極短的時間內為現有產品增加了附加功能。這些應用包括：無線IP電話、Wi-Fi監控系統、無線POS系統、便攜式視頻播放器、基于PCI的監控系統和PCI插卡。

結論

　　低功耗及高性能的標準的FPGA日益受到設計人員的青睞，而具有高性能邏輯、專用的SRAM、靈活的時鐘架構的產品，為要求超低功耗、小尺寸封裝和設計高度安全的FPGA、CPLD和ASIC應用的設計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絡、存儲和媒體處理技術之間架起了一座實現低功耗連通的橋梁。它將幫助設計者在進行系統架構設計時平衡對功耗、性能和成本的選擇，同時有效地減少風險，加快產品投放市場時間，并減少開發成本。