可編程器件在智能手持電子設(shè)備中的應(yīng)用

   當(dāng)今可編程器件正朝著高密度、低功耗、高速的方向發(fā)展。萊迪思公司推出的ispMACH4000Z是業(yè)界最低功耗的CPLD器件系列，為智能手持電子產(chǎn)品及其它對功耗有較高要求的電子產(chǎn)品市場提供了新的可編程解決方案。本文主要介紹ispMACH4000Z的特點(diǎn)以及在智能手持電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

從傳統(tǒng)意義上說，由于掌控及手持式電子產(chǎn)品對于低待機(jī)功率和低成本有很高的要求，因而限制了PLD器件在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用。萊迪思半導(dǎo)體公司的1.8伏ispMACH4000ZCPLD系列的產(chǎn)品問世，標(biāo)志著業(yè)界最低靜態(tài)功耗CPLD的產(chǎn)生。ispMACH4000Z系列有4個成員，宏單元數(shù)為32、64、128和256。ispMACH4000Z器件的靜態(tài)電流功耗極低，靜態(tài)電流為10微安，恰好滿足了低功耗電子產(chǎn)品的需要。器件的工作電壓范圍為1.6V到1.9V。ispMACH4000Z器件不僅具備業(yè)界最低的靜態(tài)功率，其成本也很低廉，非常適合被廣泛應(yīng)用在掌控、手持、和其它電子消費(fèi)產(chǎn)品中。極大地拓展了可編程邏輯在這些市場上的應(yīng)用。

IspMACH4000Z在智能手持電子設(shè)備中的應(yīng)用

我們把個人數(shù)字助理（PDA）、智能電話和便攜式媒體播放器稱為智能手持電子設(shè)備。圖1為組成智能手持電子設(shè)備主要功能的方框圖。盡管許多功能是用ASSP來實(shí)現(xiàn)的，但有一些共同的功能可以用CPLD來實(shí)現(xiàn)，諸如袖珍鍵盤控制器、存儲器地址譯碼器、電源管理、安全保護(hù)和接口邏輯。圖1中的灰色方框圖表示該功能可用CPLD來實(shí)現(xiàn)。下面對CPLD在智能手持電子設(shè)備中三種主要功能，電源管理、產(chǎn)品的安全保護(hù)和實(shí)現(xiàn)接口功能進(jìn)行敘述。

 

 圖1   智能手持電子設(shè)備主要功能方框圖

（1）電源管理

延長智能手持電子設(shè)備中的電池壽命是主要的設(shè)計要求。這可以采用幾種方法來解決。因為電源的功耗與電流或者電壓成比例，設(shè)計者必須盡可能地降低電流或者電壓。電子系統(tǒng)中某些主要器件要用較高的3.3V電壓。CPLD具有I/O電壓轉(zhuǎn)換的功能，因此可以用CPLD把3.3V器件轉(zhuǎn)換到1.8V的ASSP。

另外一種降低功耗的辦法是采用動態(tài)電源管理。當(dāng)這些器件無需工作時，關(guān)閉這些器件的電源。用CPLD產(chǎn)生片選信號，關(guān)閉ASSP和系統(tǒng)中其它的器件，例如大量消耗電源的LCD。采用CPLD實(shí)現(xiàn)一些算法會比用微處理器消耗較少的功率。例如用CPLD實(shí)現(xiàn)袖珍鍵盤掃描功能，而不是用微處理機(jī)。

選擇低功耗的器件也是致關(guān)重要的。ispMACH4000Z的待機(jī)電流僅10微安，工作電壓1.8V。CPLD具有非易失和瞬時上電特性，因此廣泛地用于系統(tǒng)引導(dǎo)功能，諸如電源上電定序和DSP/ASSP/ASIC配置。多電壓系統(tǒng)上電定序要求器件瞬時上電，以便準(zhǔn)備管理系統(tǒng)中器件的上電時序。DSP、ASSP和ASIC要求初始化和配置。CPLD用來控制非易失存儲器，例如閃存在自舉期間以配置這些器件。

（2）產(chǎn)品的安全保護(hù)

CPLD可以用來保護(hù)產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)，以防非法的復(fù)制。例如需要加密的視頻和音頻算法。用CPLD實(shí)現(xiàn)這些功能可以有效地對知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)，因為ispMACH4000Z有保密位，一旦保密位設(shè)置后，器件中的內(nèi)容便無法讀出。

（3）接口邏輯

如前所述，CPLD經(jīng)常用來把ASSP，其它器件與處理機(jī)總線網(wǎng)絡(luò)接口，有效地橋接一個器件的信號到另外一個器件。CPLD為微處理機(jī)建立了總線接口、中斷和控制邏輯功能，允許它們與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。

可編程器件的特點(diǎn)是易于產(chǎn)品的升級和修改。有些功能可以用硬件而不是軟件來實(shí)現(xiàn)。例如，CPLD能實(shí)現(xiàn)ASSP與LCD顯示間的邏輯電平轉(zhuǎn)變，以便跟隨隨新一代LCD的邏輯電平。通常，新一代LCD顯示器與老一代LCD有著不同的I/O邏輯電平。因此，如果沒有邏輯電平轉(zhuǎn)換的功能，就不能實(shí)現(xiàn)ASSP或者ASIC與新的LCD之間的接口。

使用可編程器件能夠?qū)Ξa(chǎn)品升級以支持更新的用于壓縮音頻或者視頻的標(biāo)準(zhǔn)。這充分體現(xiàn)了CPLD的靈活性。對于實(shí)現(xiàn)計算或者決策功能來說，CPLD還用于復(fù)雜的控制邏輯，諸如袖珍鍵盤或者觸摸式鍵盤控制器。

對智能手持電子產(chǎn)品的另外一個挑戰(zhàn)是緊湊的電路板。這就要求所使用的電子器件必須有很小的體積。ispMACH4000Z有很小的BGA封裝，例如56球型封裝的csBGA的尺寸僅為6x6毫米，如圖2 所示。

  

                               圖 2      器件的封裝尺寸

器件的基本結(jié)構(gòu)

    ispMACH4000器件由多個GLB所組成，每個GLB有36個輸入，16個宏單元。GLB的互聯(lián)是通過全局布線池(GRP)。輸出布線池（ORP）把GLB連接到I/O塊。I/O塊中含有多個I/O單元。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。器件中的I/O分成兩個區(qū)，每個區(qū)有不同的供電電壓。支持多種標(biāo)準(zhǔn)，使得設(shè)計者能在混合電壓環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)計。

在ispMACH4032中有兩個GLB，每個GLB有36個輸入。所有GLB的輸入來自于全局布線池，所有的GLB輸出又返回全局布線池，以便連接到其它GLB的輸入。若有反饋信號回到相同的GLB，也必須經(jīng)過全局布線池。這就保證了GLB互相之間的通信有著恒定的可預(yù)知的時延。GLB的輸出送至輸出布線池，然后把它們送到相關(guān)I/O塊中的I/O單元。

 

                      圖3 器件中的功能塊

GLB由可編程與陣列，邏輯分配器，16個宏單元和一個GLB時鐘發(fā)生器組成。可編程與陣列有36個輸入，83個輸出乘積項。來自全局布線池的36個輸入用來在與陣列中構(gòu)成72根線。每根線都可通過線與連至83個輸出乘積項中的任意一個。80個邏輯乘積項的每一個都饋入邏輯分配器，余下的三個控制乘積項饋入共享PT時鐘和共享PTOE。在送入宏單元之前，共享PT時鐘和共享PTOE初始信號可以選擇反向。每5個乘積項組成一個乘積項群(producttermcluster)。第一個乘積項群為PT0。GLB中的每個宏單元都有一個乘積項群。圖4為通用邏輯塊GLB的結(jié)構(gòu)。

                 圖4 通用邏輯塊GLB

    ispMACH4000器件有兩個I/O區(qū)，每個區(qū)都有各自的I/O電壓。輸入可以支持獨(dú)立于芯片電源電壓或區(qū)域電壓的各種電壓。支持多種標(biāo)準(zhǔn)電壓會給設(shè)計者帶來設(shè)計靈活性，以適應(yīng)當(dāng)今多種電壓環(huán)境的設(shè)計需要。

結(jié)語

個人數(shù)字助理（PDA）、智能電話和便攜式媒體播放器市場需求正在迅速增長。目前有幾個無線標(biāo)準(zhǔn)，PAN標(biāo)準(zhǔn)、媒體標(biāo)準(zhǔn)以及存儲器選擇。也許不久要求支持多個標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計者將面對ASSP與每個標(biāo)準(zhǔn)接口的任務(wù)。可編程器件能使設(shè)計者容易地完成這些任務(wù)。ispMACH4000Z的超低功耗、高性能、以及低成本的特點(diǎn)廣泛適用于包括手機(jī)及其外設(shè)、傳呼設(shè)備、GPS定位設(shè)備、個人數(shù)字助理、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、個人音頻設(shè)備、便攜式醫(yī)療儀器、車用遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)和無線電、以及工業(yè)儀器等。