可编程逻辑在消费电子中的应用

2011-06-03 01:17:51来源: 互联网 关键字:消费电子  FPGA
    在有限的产品面市的时间内,应对不断变化的市场标准使得可编程逻辑器件(PLD)广泛地用于消费电子产品之中。而专用集成电路(ASIC)和专用特定标准器件(ASSP)的开发需要昂贵的非重复性工程费用,PLD是标准的现成器件,可针对各种应用使用灵活的软件工具进行定制。

  降低功耗预算

  降低静态功耗一直是消费电子产品设计人员面临的挑战。许多电池供电的产品,如智能电话、GPS设备、移动计算和数码相机,延长电池寿命是最重要的差异化特征之一。由于设计人员力求符合最新的能源之星和欧盟管理守则的规定,对于许多通过墙上插座供电的电子设备而言,低功耗也越来越重要。

  在许多消费电子系统中,通过提供先进的总线接口和桥接功能,PLD可扩展当前一代的应用处理器或CPU的使用率。这些总线接口和桥接功能通常不会有非常高的性能要求。图1展示了这样一个应用实例。

  

 

  图1:在手机中使用PLD

  PLD还经常用来实现人机接口控制器、显示控制器、外部存储器接口控制器和PWM控制器。表1展示了在消费电子市场中一些常见的PLD的应用。

  表1:消费电子应用中常用的PLD的功能

  

 

  像高端FPGA一样,现在低密度的PLD有先进的I/O功能,包括支持不同的I/O标准、多个I/O bank,以及多种电压。这些特性允许使用PLD来实现ASIC/ ASSP、存储器、处理器,以及通常有不匹配的电压和I/O标准的其他器件之间的互连逻辑。

  如图2所示,对于将低成本、低密度PLD用于先进的互连逻辑,图形复用器是一个理想的例子。笔记本电脑和便携式电源管理的最新趋势是英特尔可切换显卡倡议。图形多路复用器选择基于应用需求的图形控制器。低功耗集成GPU用于诸如文字处理,电子邮件和互联网浏览的常规应用。高性能的独立GPU用于高性能的应用,诸如游戏、视频编辑和播放高清视频。PLD支持低摆幅差分I/O标准和内置的齿轮箱和PLL,能够与图形处理器接口,实现智能多路算法,以减少或消除切换时的视觉效果并直接驱动液晶显示屏。

  

 

  图2:基于PLD的图形复用器

  莱迪思的MachXO2 PLD系列对如前所述的消费电子应用中的各种功能是理想的选择。采用优化的查找表(LUT)结构与65纳米嵌入式闪存工艺技术相结合,MachXO2器件为消费电子设计提供了一个灵活的“全功能 “的解决方案。

  

低成本的封装

  MachXO2器件有各种低成本,无卤素的封装。可用的封装选择包括低成本的BGA和TQFP,以及先进的晶圆级芯片级封装和微型芯片级封装。 BGA封装包括尽可能少的信号布线层,以降低整个封装的成本。这些封装的设计使得所有的I/O和电源连接从PCB布线的2至4层引出。这样做避免了使用较高成本的制造技术,如埋孔或盲孔,以及激光孔钻。MachXO2封装的I/O分配能够使同一封装实现密度迁移。当设计有变化,需要一个更大或更小的MachXO2器件时,这有助于利用同样的电路板。

  更高的集成度

  图3展示了一个MachXO2集成分立逻辑器件,如I/O扩展器、电平和总线桥接转换器、电压调节器、时钟源和配置器件,所有这些都在单个器件之中。

  

 

  图3:MachXO2功能整合

  MachXO2器件内含多达256Kbit的嵌入式闪存。这些片上用户闪存(UFM)使MachXO2器件能够集成外部非易失性存储器,可用于各种应用,包括存储配置文件部分、储存PROM数据,或作为通用用户闪存。 MachXO2器件还具有标称精度为+/- 5%的内部振荡器,可以用来作为设计的时钟源,因此无需外部振荡器。

  固化的SPI、I2C、定时器/计数器

  SPI和I2C控制器和定时器/计数器是消费电子设计中最常用的功能。设计人员经常用PLD实现SPI或I2C总线扩展。定时器/计数器也经常被用来生成状态信号。所有MachXO2器件拥有这些常用功能的固化实现。有了固化的I2C、SPI和定时器/计数器功能,设计人员可节省高达600LUT,可用于在设计中实现附加的逻辑。

  由于非易失性降低了功耗

  除了静态和动态功耗之外,功耗的额外部分与浪涌和配置有关。这是PLD / FPGA进入用户模式之前,上电和配置期间的功耗。功耗是与进入用户模式所需的时间成正比的。电路板设计人员必须考虑这一部分额外的功耗,同时确定电源的要求。许多消费电子系统设计成使得FPGA或PLD频繁开/关循环。由于开/关周期频繁,这个系统的行为加剧了这一额外的功耗。由于其固有的性质(即带有片上配置存储器的PLD),MachXO2器件可以用微秒的时间配置自己,尽量减少浪涌和配置过程中的功耗。图4展示了MachXO2 PLD与基于SRAM的FPGA进入用户模式所需时间之间的比较。

  

 

  图4 MachXO2减少了功耗周期

  用免费的设计工具加速创新

  设计人员可以开始使用Lattice Diamond v1.2版本软件用MachXO2器件进行设计,该软件可以从莱迪思网站免费下载。

  一个为消费电子应用而优化的全套参考设计可以从莱迪思网站免费下载。这些包括LatticeMico8微控制器,外设如UART、I2C主/从,SPI主/从,I2S控制器和各种闪存控制器的。该参考设计源代码,包括HDL和固件,可以根据实际应用的要求进行修改。

  结论

  在实现消费电子应用中,使用可编程逻辑器件实现各种功能是一种不错的选择,因为他们克服了ASIC和ASSP的局限性,提供具有成本效益,低功耗和灵活的解决方案。MachXO2 PLD系列是专为低成本,低功耗消费电子应用而设计的,为设计人员提供了更低成本的优势、降低了功耗,并在一个小的封装中增加了系统集成度。此外,MachXO2包含了在消费电子应用中常用的一些最流行的功能的固化实现,例如用户闪存(UFM)、I2C、SPI和定时器/计数器。

关键字:消费电子  FPGA

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0603/article_2201.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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