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利用FPGA解决手持设备MPU功耗问题

2013-11-30 12:04
Timeless落尘
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  消费类手持设备市场正呈跳跃式发展。便携式产品处理能力不断增加,所支持的应用越来越多;产品更新换代速度加快,新产品必须满足上市时间要求,以便获得最大的市场机会;产品生命周期的缩短要求缩短开发周期,同时更加强调可复用性和可重复编程能力。新兴手持设备市场还有一个有趣的趋势,即一个系列中的每种设备的出货量越来越少,但系列设备间的定制功能却越来越多,进而有效提升了产品的总出货量。这样,关键挑战就变成了如何开发一个可广泛复用同时又可定制的系统。

  为应对上述挑战,越来越多的设计人员开始使用FPGA进行手持产品的开发。FPGA的功能日益强大和丰富,而门数、面积和频率也在不断增加。FPGA的开发和周转时间要比定制ASIC短得多,可重复编程的额外优势使得FPGA成为手持嵌入式系统领域中颇具吸引力的解决方案。在基于ASIC或FPGA的设计中,设计人员必须认真考虑某些性能标准,他们面临的挑战主要体现在面积、速度和功耗方面。

  与ASIC一样,供应商在FPGA设计中也需要应对面积和速度的挑战。随着门数不断增加,FPGA需要更大的面积和尺寸来适应更多的应用,设计工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面积。不断演进的FPGA技术也给设计人员带来一系列新的挑战,电源利用率就是其中之一,这对于为手持或便携式设备设计基于FPGA的嵌入式系统来说是急需解决的问题。

  嵌入式系统中的FPGA

  典型的嵌入式系统由处理器、存储器、包括USB、SPI、I2C在内的标准接口以及液晶显示器、音频输出等外设组成。设备的核心仍是处理器和处理器接口,它们通过板载连线连接到各个外设。系统性能主要取决于处理器性能,而处理器通常具有非常标准的架构,因而不容易定制。

  有时处理器可能忙于处理来自低速外设的信息,虽然在这种情况下处理器使用率可能达到100%,但并不是在做以微处理器为中心的事务,而是工作在特别低的性能水平。不管其内核频率是多少,微处理器必须等待来自低速时钟的数据。这也会导致较高的功耗,因为处理器的利用率是100%。其结果将缩短电池寿命,并且需要更大的散热器或风扇进行冷却,最终影响整个系统的可靠性。

  于是,FPGA在这方面开始发挥重要作用,因为它们能从处理器卸载许多外设交互任务。如图1所示,利用标准千兆TCP/IP网络实现的未压缩音视频数据流的嵌入式分布系统。它有一个专用DSP处理器,这个处理器通过一个标准总线接口与赛灵思的FPGA相接,FPGA再连接到各个低速外设。

  利用FPGA解决手持设备MPU功耗问题

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