ACTEL FPGA 在便攜式系統(tǒng)中的應用分析

在上世紀最后的十年里，重復可編程邏輯器件大放異彩，在通信行也得到了廣泛的應用，這一時期FPGA 競爭基本上集中在容量，性能， IO 標準方面。而在便攜應用方面因為FPGA 的高昂的價格，驚人的功耗基本上很少應用。

然而今天，隨著全球環(huán)境惡化， 能源緊缺，各種個人電子消費產品便攜式設備如MP3播放器, GPS導航儀，個人移動電話 ，游戲機價格猛烈下降，大量進入普通人家庭，能耗問題已變得日益重要，更由于產品平臺化，競爭日趨白熱化；產品生命周期的縮短，天文數(shù)字般的ASIC 掩模費用，工藝改進使得FPGA的功耗降到了可與傳統(tǒng)ASIC 相當?shù)乃?，都使可編程器件在消費電子產品中可能找到自己的位置，最近非易失可編程器件的市場領導公司愛特公司 (Actel) 推出了它的低功耗，低價格，小封裝的FPGA 產品 Nano IGLOO 和Nano ProASIC3 ，最低功耗為2uW，與競爭對手FPGA相比，功耗僅為其十五分之一。與此同時，封裝尺寸縮減至3mmx3mm，價格低于1美元，從而打破FPGA在消費電子領域的最后一個障礙。

那么可編程器件又是如何適應在消費電子中應用呢？
　
通常都是電池供電的，電池壽命一直以來都是便攜式電子設備最重要的設計指標之一，在過去的四十年間，半導體集成電路的發(fā)展基本上遵循摩爾定律，每十八個月電路容量提高一倍。對應工藝的改進，每個電路單元的功耗也相應減少一半。但由于電子設備功能的增加超過了功耗降低的速度，總體的來說，消費電子的功耗變的越來越大，直到現(xiàn)在我們也看不出有什么因素能改變這一趨勢，但另一方面，電池技術的發(fā)展卻相對緩慢，電池的供電能力并沒有什么突飛猛進，十年前的手機的電池容量主流是700 mAhrs，今日大部分最新的手機電池是1250 mWhrs，但手機與過去相比，有 MP3、MPEG4 播放功能，有全球定位系統(tǒng)，具有藍牙，有WI-FI，能上網(wǎng)，能收發(fā)電子郵件，能看電子書，能瀏覽照片，能玩游戲，具有300萬像素的攝像頭。在可預知的未來，還有更多的功能將被集成進來，因此我們只能從器件來改善，以在滿足不斷增加功能的條件下又能達到不低于過去的使用時間。

Actel Nano系列可編程器件，本身是非易失性器件，不需要常規(guī)的FPGA的上電配置（圖1），這減少了每次開關機時電路上電帶來的功率損失。


圖1

Actel Nano FPGA可工作在1.2V 或1.5V的內核，1.2V 或1.5V 的輸入輸出端口可進一步降低功耗，在其獨特的Flash*Freeze 模式下，功耗僅為2uW，同時能保留電路的內部和端口電平狀態(tài)不變，而進入和退出該模式僅需要1 us在該模式下，你無需圖2中的MOSFET 器件來關閉FPGA的內核電壓，但可以獲得與關掉內核幾乎同樣的節(jié)電效果。

圖2

對于大批量生產的消費電子設備，PCB面積大小，組件清單的減少，器件單個價格直接影響著產品的競爭力，關系著產品的成敗， Actel FPGA器件不需要配置ROM, 不需要上電過程，在減少了組件清單的同時，也減少了PCB 面積，而其本身僅占用3mmx3mm；同時，它的低功耗又降低了對電源模塊以及系統(tǒng)散熱的要求。

消費電子產品壽命的縮短，也給了FPGA用武之地，常規(guī)的手機芯片投放時間需要18個月左右，同時也需要數(shù)千萬美元的掩模費用，而最近的統(tǒng)計表明，大部分中低端手機的壽命已縮短為6個月左右，一但用戶需要增加新的應用，若原有的芯片集又沒有足夠的端口或資源來利用，客戶只能坐看機會喪失，然而通過 Nano FPGA，客戶就可能在原有芯片集設計的基礎上，在兩個月內很快的推出擁有新的性能的產品。

FPGA 可以很容易的實現(xiàn)手機或其它便攜式系統(tǒng)以下功能，如鍵盤掃描， LCD控制，GPIO 擴展， 電平轉換， LED 控制，手機馬達控制，存儲端口擴展，總線變換，邏輯膠合等，而所有這一切都可以不到一個美元來實現(xiàn)。

比如鍵盤掃描與常規(guī)的CPU 控制實現(xiàn)相比，不但很容易增加新的鍵盤按鍵，F(xiàn)PGA實現(xiàn)也大大減輕了CPU的負擔，而且功耗更優(yōu)化。