為便攜式系統增加先進外設(圖)

　　現在，諸如Wi-Fi和微型硬盤技術在嵌入式領域已被迅速采用，這些應用包括基于VoIP(基于IP協議的語音)手機、智能電話和PDA、媒體播放器和導航助手等便攜式產品。要集成這些先進外設而又不縮短電池的壽命是一個嚴峻的挑戰，而這正是新型反熔絲的FPGA(現場可編程門陣列)所關注的焦點，這種FPGA可以為一個優化的架構提供有效的智能橋接。

　　PolarPro系列FPGA是集成了深度休眠待機模式的最新一代產品，可以將功耗降低到10μA以下，這要比基于閃存和SRAM(靜態隨機存取存儲器)的FPGA分別低了1000或10 000倍，也比QuickLogic公司現有的反熔絲器件改善了25倍左右。重要的是，在待機情況下，由于電路將I/O焊盤與邏輯核隔開，這種優勢可以在各種條件下保證功耗節省水平。這對那些連接到普通活動總線的器件是非常有用的，從而可保證其他地方的流量不會引起FPGA內的功率消耗。通常在將一個可編程邏輯器件的I/O三態(tri-stating)轉換為有效的“輸入模式”時就會發生這種情況；一個三態引腳上的活動可能激活內部節點，而后它可能需要額外的功率。即使采取隔離或停止系統時鐘等手段都無法保證FPGA仍然處于靜止狀態。它是與系統存儲器總線上的內存映射外設共用的。該總線一直保持有效，因為總線活動可激活FPGA的橋接邏輯，例如地址解碼，等等。圖1是PolarPro FPGA的裸片圖，圖2是器件的功能框圖。

　　器件內的專門電路可用來以一種有效的方式管理通電和斷電轉換。當該器件進入其超低功耗模式時，RAM、寄存器值和I/O狀態全部保持不變。FPGA金屬對金屬(metal to metal)反熔絲技術可以保證以一種“上電即用”方式在150μs內退出這種模式，而且在進入之前保持器件的狀態。

　　片上存儲器、FIFO(先進先出)控制器和時鐘管理資源可以對連接嵌入式系統處理器和高數據吞吐量外設的新器件進行優化。

　　在這些應用中，通常可編程邏輯必須連接不同的時鐘頻率域(clock-frequency domains)。PolarPro架構可以解決用許多片上雙端口RAM和FIFO控制器實現這種功能的開銷成本的問題，而以硬連接的標準單元(ASIC)門來實現這種功能。

　　FPGA可以為所有8Kb RAM提供高達202Kb的嵌入式存儲器和嵌入式異步FIFO控制器。這些FIFO控制器可以直接定位相鄰的存儲器以優化速度，而且包括可編程“近空/近滿(almost empty/almost full)”標記。與使用可編程邏輯單元(大約97%)相比，以這種方式嵌入在整個架構中的專用FIFO控制器可以顯著減少執行這種功能所需的硅片面積，可以用幾乎微不足道的成本提供可保證性能的異步FIFO。

　　如果需要更多的存儲器來緩沖數據，新型FPGA還有另一個單元——專用DDR2(雙數據傳輸速率)接口，有助于以同樣高速和低成本的存儲器件深度嵌入到最新型PC和便攜式計算機等系統應用中。另外，這個功能還可以用專用電路來實現，它正好緊挨著I/O引腳，有助于實現最高的性能和最小的硅片面積。

　　進一步的嵌入功能有助于開發人員以片上可配置時鐘管理器的形式與時鐘域進行橋接。這些電路集成了一個鎖相環和一個可編程延遲線，以補償器件內部和/或系統級的互連延遲，將FPGA用戶經常遇到的復雜的調試和驗證問題簡化為只設置一個可編程參數。

　　這一電路特性的組合可以為實現具有數據緩沖功能的可編程的總線對總線橋接接口提供一個理想的平臺。當把非本地設備添加到嵌入式系統中時，經常需要這樣的接口，因為外設芯片組通常首先是為個人電腦市場開發的，而且采用的是一種相對復雜的總線，例如PCI或SDIO。另一方面，嵌入式系統處理器經常只有簡單的存儲映像接口。

　　在這種情況下，唯一的選擇是執行邏輯來進行總線結構的橋接，這可能是一個具有挑戰性的任務。兩條總線可能不具備同樣的位寬，需要以橋接來實現數據的格式化。此外，諸如PCI和SDIO等總線通常不允許在嵌入式系統中使用簡單的存儲映像。在這樣的情況下，橋接必須與協議邏輯一起提供數據緩沖能力，以便處理器能夠在數據傳輸期間執行其他任務。

　　一種解決方案是使用一個FPGA作為橋接器件。通常可供FPGA使用的預先定義的功能庫包括了大多數標準元件總線接口，因此橋接設計已經完成了一半。FPGA的靈活性有助于開發人員使設計適應各種不同的處理器，從而以最少的修改將設計用于多個項目。

　　初看上去，復雜可編程邏輯器件(CPLD)似乎也能提供這些優勢，但是CPLD通常沒有數據緩沖所需的存儲器資源。

　　新的PolarPro架構可以提供邏輯、片上存儲器和FIFO控制，以及迅速切斷功能的組合，這樣就為橋接應用提供了理想的性能。現在，利用其包括專用邏輯在內的為用途設計的(designed-for-purpose)架構，就可以用相當低的成本使具有這些連接功能的解決方案用于大批量生產的消費類產品。

　　PolarPro的超低功耗模式在許多目標應用方面保持著成功的記錄，例如包含嵌入式處理器和硬盤驅動器的媒體播放器。在這種情況下，處理器通常需要訪問硬盤，在存儲器中存儲數據，然后關閉硬盤驅動器。比如，在播放128kb/s的MP3音頻時，硬盤驅動器可能有大約 0.2%的占空比。圖3是PolarPro FPGA與英特爾的PXA27x處理器、外部存儲設備的連接示意圖。

CPLD經常被用作控制器。但是，即使在硬盤驅動器不運行而且沒有數據吞吐時，連接到處理器總線的傳統的CPLD和傳統的FPGA也會繼續汲取功率。與之相比，基于PolarPro的控制器可以消除非運行時的功耗，大大延長電池的壽命。與CPLD相比，因為有了片上存儲器，數據吞吐量也有所增加，這使得開發新一代產品成為可能。