采用基于FPGA的SoC進行數(shù)字顯示系統(tǒng)設計

系統(tǒng)級芯片(SoC)可采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)兩種方式實現(xiàn)。目前業(yè)界通常將處理器、邏輯單元和存儲器等系統(tǒng)嵌入FPGA中構成靈活的SoC解決方案，本文以Virtex-II系列Platform FPGA為例，說明采用FPGA方案進行數(shù)字顯示系統(tǒng)設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統(tǒng)級芯片(SoC)解決方案被譽為半導體業(yè)最重要的發(fā)展之一，目前，從數(shù)字手機和數(shù)字電視等消費類電子產(chǎn)品到高端通信LAN/WAN設備中，這一器件隨處可見。過去，為了創(chuàng)建此類嵌入式系統(tǒng)，設計工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲器等三種硬件中進行選擇，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)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)實現(xiàn)。開發(fā)新型SoC器件需要解決的幾個關鍵問題包括：新的設計工具、先進的工藝技術及半導體IP。盡管在技術上十分先進，基于ASIC的SoC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至會因此難以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰(zhàn)：

1. 系統(tǒng)復雜性不斷增加，因此更容易引起設計錯誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會導致成本上升。

2. 上市時間壓力更大。縮短上市時間面臨著許多內(nèi)部及外部壓力要求，因為現(xiàn)在的設計方法仍然按照傳統(tǒng)ASIC時間進度實施。

3. 產(chǎn)品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產(chǎn)品進行設計復用的要求更強了。

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

5. 可用于不同產(chǎn)品的設計靈活性較差。

6. 可重配置及現(xiàn)場升級性能缺乏。

現(xiàn)在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于ASIC的SoC無法完成的任務和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場升級、減少產(chǎn)品上市時間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標準要求?；贔PGA的SoC設計可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉(zhuǎn)型中受益最多的應用包括：

1. 通信及網(wǎng)絡：網(wǎng)絡及無線基礎設施。

2. 數(shù)據(jù)處理：服務器及存儲設備。

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

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢;而FPGA則在上市時間、建模時間及升級能力上稍勝一籌，這些是權衡設計中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)來實現(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，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，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，在計算基于ASIC或FPGA的SoC成本時，除了生產(chǎn)成本外，設計開發(fā)所需的時間和經(jīng)費也是一項重要的考慮因素。

Xilinx的可編程邏輯器件的發(fā)展過程。FPGA最初僅提供簡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)結構設計工程師提供了極大價值。現(xiàn)在，從網(wǎng)絡設備到高端消費類器件，F(xiàn)PGA均開始了大批量生產(chǎn)。下面以Platform FPGA方案為例，說明基于FPGA的SoC方案的特點。

Platform FPGA解決方案

Platform FPGA是高性能的SoC解決方案，下面對其特點進行概要介紹。

A. Platform FPGA模型