采用基于FPGA的SoC進(jìn)行數(shù)字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)可采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)兩種方式實(shí)現(xiàn)。目前業(yè)界通常將處理器、邏輯單元和存儲(chǔ)器等系統(tǒng)嵌入FPGA中構(gòu)成靈活的SoC解決方案，本文以Virtex-II系列Platform FPGA為例，說(shuō)明采用FPGA方案進(jìn)行數(shù)字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)解決方案被譽(yù)為半導(dǎo)體業(yè)最重要的發(fā)展之一，目前，從數(shù)字手機(jī)和數(shù)字電視等消費(fèi)類電子產(chǎn)品到高端通信LAN/WAN設(shè)備中，這一器件隨處可見。過(guò)去，為了創(chuàng)建此類嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲(chǔ)器等三種硬件中進(jìn)行選擇，而現(xiàn)在這些器件已合并為單一的SoC解決方案。

SoC面臨的挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)SoC可采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)實(shí)現(xiàn)。開發(fā)新型SoC器件需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題包括：新的設(shè)計(jì)工具、先進(jìn)的工藝技術(shù)及半導(dǎo)體IP。盡管在技術(shù)上十分先進(jìn)，基于ASIC的SoC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至?xí)虼穗y以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：

1. 系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，因此更容易引起設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會(huì)導(dǎo)致成本上升。

2. 上市時(shí)間壓力更大。縮短上市時(shí)間面臨著許多內(nèi)部及外部壓力要求，因?yàn)楝F(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法仍然按照傳統(tǒng)ASIC時(shí)間進(jìn)度實(shí)施。

3. 產(chǎn)品生命周期更短，對(duì)生命周期為半年到一年的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)用的要求更強(qiáng)了。

4. 多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)并存。各種新的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)不斷產(chǎn)生和更新，因此產(chǎn)品難以與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的變化保持同步。

5. 可用于不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)靈活性較差。

6. 可重配置及現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)性能缺乏。

現(xiàn)在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于ASIC的SoC無(wú)法完成的任務(wù)和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)、減少產(chǎn)品上市時(shí)間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標(biāo)準(zhǔn)要求?；贔PGA的SoC設(shè)計(jì)可用于多種場(chǎng)合，其中從ASIC向FPGA轉(zhuǎn)型中受益最多的應(yīng)用包括：

1. 通信及網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施。

2. 數(shù)據(jù)處理：服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備。

3. 消費(fèi)類電子產(chǎn)品：數(shù)字機(jī)頂盒、數(shù)字電視和個(gè)人攝像機(jī)。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢(shì);而FPGA則在上市時(shí)間、建模時(shí)間及升級(jí)能力上稍勝一籌，這些是權(quán)衡設(shè)計(jì)中FPGA和ASIC取舍的基本依據(jù)。與ASIC相比，F(xiàn)PGA最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內(nèi)部互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)編程。由于ASIC所用的晶體管數(shù)較少，因此就這一方面而言，ASIC的器件成本通常比FPGA要低。不過(guò)，根據(jù)摩爾定律所述，F(xiàn)PGA和ASIC在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。如圖1所示，芯片內(nèi)連技術(shù)，如采用更多金屬層及銅連線，有助于縮小FPGA和ASIC之間的成本、密度及性能差距。此外，在計(jì)算基于ASIC或FPGA的SoC成本時(shí)，除了生產(chǎn)成本外，設(shè)計(jì)開發(fā)所需的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)也是一項(xiàng)重要的考慮因素。

Xilinx的可編程邏輯器件的發(fā)展過(guò)程。FPGA最初僅提供簡(jiǎn)單的邏輯解決方案組合，然后發(fā)展為Platforms FPGA，在功能及總成本上均為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提供了極大價(jià)值?，F(xiàn)在，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到高端消費(fèi)類器件，F(xiàn)PGA均開始了大批量生產(chǎn)。下面以Platform FPGA方案為例，說(shuō)明基于FPGA的SoC方案的特點(diǎn)。

Platform FPGA解決方案

Platform FPGA是高性能的SoC解決方案，下面對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行概要介紹。

A. Platform FPGA模型