满足便携式存储低功耗要求的FPGA设计解决方案

为了保持“联系和联络”，消费者越来越多地依赖于他们的便携式设备，其范围包括了从智能手机、个人媒体播放器与数码相机到新兴的解决方案，例如笔记本电脑等。目前的手持设备可为多种应用服务，并提供了各种不同的功能，这转而依赖于终端应用的大容量存储，众多的功能以及技术挑战。

与此同时，便携式设计师承受着不断增加的成本和产品上市时间的压力，在价格敏感的消费市场中努力提供着新的功能并紧跟上快速变化的标准。问题的复杂化进一步要求在不牺牲电池寿命前提下，提供所有这些功能。

现场可编程门阵列（FPGA）历来被认为是将设计推向市场的最佳途径。然而，由于功耗及成本的考量，该技术的应用范围已不仅限于原型设计。

然而，在过去的几年里，设计进步已经推动FPGA转向高容量便携式设备的设计。此外，新兴的解决方案正帮助设计师降低成本，并增加电池的寿命。举例来说，基于Flash的FPGA解决方案，消除了与基于SRAM解决方案有关的大功耗配置存储器和泄漏电流。

FPGA的静态功耗低至5mW，并且有效/动态功耗低至25mW，其功耗可与定制ASIC和专用处理器相匹敌。此外，其内部可编程性使得设计人员能够实现基于平台的设计。这让OEM厂商的工作从单一的基础平台和增加或去除某些特性转变为满足多种价值点。这一能力有效利用了覆盖多个产品型号的硬件和软件设计成本，为便携式产品设计师产生了更大的规模经济效益。

便携式存储的现状

目前，便携设备中越来越多的数字内容，增加了对更大存储能力的需求。因此，便携式存储可能会占用电子设备中大部份的功耗。

从硬盘驱动器（HDD）到闪存设备，便携式储存应用可以利用FPGA来降低成本，提高灵活性并延长电池的寿命。用于运行操作系统（OS）和应用软件的应用处理器已经预定义了接口，通常难以适应瞬息万变的市场需求。

因此，在关键领域中，FPGA可提供更多想要的灵活性，这包括了存储器、处理器桥和控制器，以及连接接口。在这些应用中，基于Flash的FPGA可以降低功耗，并同时支持多种存储器接口标准。

各种存储解决方案，大致可以分类为闪存器件和HDD，其可以用于目前不断增长的大量电子设备中。便携式产品需要高存储容量的HDD解决方案，例如视频录像机和摄像机，将采用这两种控制器中的一种。前者是一种集成器件电子（IDE）控制器，基于并行或串行ATA标准。后者是消费电子ATA（CE-ATA）控制器，这是一种小形状系数设备的共同标准，例如便携式媒体播放器和手持设备等。

闪存的使用也有所扩大，从而产生了另一套存储接口。多种存储卡格式，如安全数字（SD）和超小与可移动紧凑式闪存卡（CF）解决方案，与NAND闪存控制器一起是用于闪存市场的主要接口。

手持设备可以使用这些接口的组合或者只需要用于某个特定应用的一种接口。无论哪种方式，半导体解决方案必须提供可以实现任意数量接口选择的灵活性。

应用处理器传统上对某些选定的存储接口提供支持。但是，手持设备设计的新趋势是将应用处理器与超低功耗FPGA进行配对，采用FPGA来提供桥接功能，并扩大处理器的存储接口支持（图1）。

存储器的实现

实现存储系统时，最重要的是要极为关注基本架构的选择。首先，将采用哪种处理器？在竞争激烈的便携产品市场，通常有几个领先的候选处理器，设计师的选择通常受到多种因素的影响，从技术要求，例如性能、尺寸和功率分布，到过去采用特定处理器的设计经验。

因此，设计师必须仔细评估其设计目标。该设计是不是依靠先前的架构，因此要求向下兼容？这样一来，工程师是否可以灵活选择他们所采用的最有经验的处理器？设计是否要求低功耗？当然，在便携式应用中，处理器的功耗和效率将成为这一决定的关键因素。

决定的作出还与存储器架构有关。主处理器上有哪些接口？某些存储项目的存取比其他项目更频繁吗？如果存取频率有差异，双重系统可能是最佳的。该应用是否需要快速存取存储器来满足应用的需要？如果是的话，可能需要专用的存储器控制器。该系统是否需要识别所配的存储器类型，并且与回扫的接口标准相匹配？其次，需要外部可适应控制器来实现这一功能。

通常，终端应用的设计要求影响处理器的选择，而并非特定处理器所支持的存储接口。存储器的选择也将受到终端应用需求的影响。因此，在处理器和存储器之间，接口的选择可能有几十至几百种。

在进一步研发之前，设计师可能需要测试几种不同的存储方案来实现概念验证。对处理器到最佳存储器解决方案的可能接口进行匹配时，采用FPGA作为接口解决方案，提供了彻底的灵活性。

选择存储接口平台

存储实现中的下一步就是处理器和应用的依赖性。大多数处理器厂商在存储空间中提供了充分的开发平台，以方便使用他们的专用处理器平台。每个处理器开发板也伴有一套标准接口，但这些接口可能与所选定的存储技术的要求并不匹配。

处理器开发板应该有一个标准的扩展头，专门设计用来开发子插件板，其支持更多的外围设备，以及对相同处理器的多种存储协议进行评价。以选定的主板为原型，选择存储接口而不必购买多个子插件板时，具备板载FPGA的子插件板更具灵活性。

FPGA在处理器扩展卡上可采用以下两种方式之一。第一种方法是通过增加额外的存储器插槽扩展对原有外设的支持，该插槽还兼容处理器上已有的插槽。第二种方法是能够提供非原有外设的支持，增加处理器上并不能提供的接口。

图2表示了飞思卡尔公司i.MX27多媒体开发平台。i.MX27处理器主要是针对视频应用，如视频安全以及通过IP传输视频或语音。该处理器还具有广泛的接口来满足大多数应用。

在这一开发平台中，供应商想要向该平台增加一些其他存储器接口。要选择非原有的外设支持的话，基于闪存的FPGA可直接连接到i.MX27处理器的地址和数据总线。通过自身的SD/MMC和CE-ATA协议接口，FPGA也能够与飞思卡尔处理器一起使用SD卡和微硬盘（Micro Hard Drive）存储介质。

当需要进行概念证明时，有必要有一张存储卡，这种卡可以支持所有可能的接口。理想情况下，开发板应该能够识别所插入存储器的类型，并选择从FPGA到该处理器的正确接口。由于具有成熟的自动连接功能，设计师不需要知道如何针对每个设备对FPGA进行编程。但是，设计师可以对其终端应用所选定的协议进行评估。通用存储卡也可用于对多种处理器进行评价。

采用业界标准的开发板可以节省几个月的开发时间并降低生产成本。通过进行第一轮的器件选型，并且可能实现去掉某些器件而无需在原型系统上浪费资源，在交付最终架构之前，可能要对多种处理器和接口标准进行评价。

功耗测量

对低功耗便携式应用，最好一开始就谨记对开发平台采用低功耗设计。通常，这些平台已经采用低功耗器件来消除一些稍后所需要的额外设计优化。

综合开发平台将提供电路图和材料清单（BOM）的详细信息，考虑最终设计所采用的版图和器件时，应该对其进行认真研究。当为你的低功耗便携式应用选择最佳的开发平台和子插件板时，对功耗进行测量的能力也是一个关键的方面，无论是对整个系统还是对个别器件的功耗进行测量。

已经选定了处理器、存储器类型和IP，低功耗存储实现的下一阶段就是要确定最后所得到的系统是否真的是低功耗。在这种情况下，FPGA存储扩展接口卡可用来测量功耗。

每次测量都尽可能使用板载跳线。要测量板子上的任何位置，有必要关闭器件，清除跳线，连接万用表，然后，对系统上电。功耗可以分为以下位置：

FPGA内核电流的测量用于评价IP功耗的使用，并且说明了可用于FPGA的灵活地功率优化模式。注意的是，所采用的FPGA可能工作在1.5或1.2V核心电压，所以一定要计算所使用的正确电压的功耗。

另外两个跳线在3.3V整流器电源电压下对电流进行测量。

FPGA上的每个I/O库可以工作在不同的电压下，使得电流的测量是彼此独立地。

为了协助这些测量，系统在任何特定时间所操作的功能都通过LED进行通讯。它还显示了所操作的电压和模式。

除在板级测量功耗外，在器件级通过软件分析工具测量功耗的能力也是非常重要的。大多数厂商使用功率计算器进行分析。在这里，寄存器的数量和时钟频率的大小可以用于提供功耗的值。

采用IP进行更方便、准确的测量，涉及到综合设计，然后通过智能功率分析工具进行测试。这些工具审查每个器件结构特性、每个电源和每个I/O库的功耗使用情况。由于功耗分析工具精度的提高以及设计师学会信任这些结果，还可以进一步缩短设计周期时间。

多种存储器开发平台评估了每个存储器接口的功耗使用情况，并对睡眠模式（图3）进行了示范。当一个器件进入睡眠模式，如FlashFreeze，该系统需要进行测试以确保对唤醒接口命令进行正确定时。这将确保在需要时该接口完全启动和运行。

对基于Flash的FPGA，FlashFreeze技术允许FPGA时刻准备应对需要，并且存储器和寄存器的内容不变。如果你使用SRAM FPGA，必须给出足够的时间（大约150ms），以便使FPGA能够唤醒，并重新配置。如此巨大的时间延迟在某些应用中可能成为一个限制因素，并应作为该系统概念证明的一部分来进行测试。

由于FPGA技术愈来愈成熟，FPGA解决方案最终可以满足便携式设备所需的低功耗要求。此外，由于内在的可编程解决方案，其还可以提供便携式设计师所要求的更大灵活性，从而适应今天手持设备市场不断发展的几乎数以百计的处理器和存储器接口的组合应用。

综合开发平台和软件分析工具相结合方便了每个开发阶段的功率测量，基于Flash的FPGA在便携式产品中提供了延长电池寿命的手段。采用FPGA产品，设计师可以显着降低其产品的上市时间和开发成本，与此同时，继续满足当今消费者的多样化需求。