利用Artix-7 FPGA設計高性能USB器件

　　作者：Tom Myers 高級硬件工程師，Anritsu 公司 tom.myers@anritsu.com

　　低功耗的賽靈思 FPGA 系列使總線供電的 USB 器件設計垂手可得

　　憑借在市場中數(shù)十億的端口數(shù)量，通用串行總線 (USB) 成為實現(xiàn)主機與外設之間千兆位以下連接的首選接口。不過，由于 USB 規(guī)范有著嚴格的浪涌電流和穩(wěn)態(tài)工作電流限值要求，因此由總線供電的器件應用經(jīng)常忽視FPGA，而是更愿意采用性能和靈活性都不及 FPGA 的微控制器解決方案。

　　隨著賽靈思低功耗系列器件中最新成員Artix-7 的問世，這種情況將不復存在。通過嚴加注意系統(tǒng)級功率轉(zhuǎn)換效率和排序，并使用 VivadoDesign Suite 中的功耗估算和優(yōu)化工具，設計人員能夠克服這些挑戰(zhàn)性限制，從而實現(xiàn)高性能、緊密集成的并由總線供電的定制器件。  

　　讓我們來看一下如何以 Artix-7 MicroBlaze平臺為基礎構建由總線供電的 USB 2.0 高速器件。在 Anritsu 公司，我們成功利用該方案開發(fā)出一款最新的微波功率測量產(chǎn)品。該新產(chǎn)品設計采用USB 2.0 高速接口，相比前一代采用 USB 全速微控制器解決方案的產(chǎn)品而言，顯著提高了測量吞吐量。更高的測量吞吐量可縮短制造生產(chǎn)測試應用的測試時間。最終可幫助客戶節(jié)約成本  

　　系統(tǒng)設計

　　Anritsu項目中，我們必須要克服的主要障礙是 500 毫安(額定 5V)的穩(wěn)態(tài)電流消耗限值。因此，我們的系統(tǒng)設計方案以功耗預算為中心。我們將數(shù)據(jù)手冊上電流消耗的典型值和最大值制成功率預算電子數(shù)據(jù)表。

　　功率預算中的大部分是針對200MB 的最小片外存儲器需求。最適合此需求的是標準 4Gb LPDDR2 器件。我們利用廠商應用指南提供的詳細方法生成該器件的電流消耗估算，并應用估算的數(shù)據(jù)流配置文件。我們還利用Xilinx Power Estimator (XPE) 等工具,通過假設功能、時鐘速率和觸發(fā)率,對各種可編程器件及其它解決方案進行了評估。

　　我們確定了幾款備選器件，并且利用MicroBlaze、存儲器控制器(使用存儲器接口生成器 (MIG))構建出完整系統(tǒng)的子系統(tǒng)，再使用 Vivado 的 IP Integrator 工具添加各種外設的接口模塊，以精確功耗、尺寸和I/O 估算值。我們快速獲得可綜合目標，并利用 Vivado 功耗報告精算功耗大小。

　　由于 MIG 本身不提供到LPDDR2 器件的 AXI 本地連接，因此我們過后自己開發(fā)該鏈路。在我們的AXI層(shim) 做好之前，我們使用 MIG 生成的 LPDDR2 實例設計進行初步的功耗估算和尺寸調(diào)整。圖1 給出了得到的系統(tǒng)架構。

　　降低器件的晶片溫度能減少漏電流功耗。

　　策略包括盡可能減小器件晶片尺寸并選擇盡可能大的封裝

　　正如“Vivado DesignSuite 用戶指南：賽靈思功耗分析與優(yōu)化”(UG907) 中介紹的那樣，降低器件的晶片溫度能夠減少漏電流功耗。我們使用的策略包括根據(jù)應用嚴格的板級空間約束，盡可能縮小器件晶片尺寸并選擇盡可能大的器件封裝。

　　我們通過減少電源數(shù)量來最大程度降低轉(zhuǎn)換損耗和穩(wěn)壓器電路成本。在確定器件功耗要求后，我們設計了電壓轉(zhuǎn)換電路，用以將額定的USB 5V 總線電壓降至電軌電壓。目前為止，我們一直在關注穩(wěn)態(tài)電流消耗。不過，還必須考慮到浪涌電流消耗。最小化浪涌電流的方法之一是選擇具有軟啟動功能的穩(wěn)壓器控制上電排序。您必須將FPGA 的上電順序和斜坡時間要求與 USB 要求進行權衡。

　　從容應對意料之外的情況

　　盡管提供各種機制用以正確地關閉和移除USB 設備，但現(xiàn)實中很多用戶會不顧警告魯莽地拔下設備。如果固件更新過程不夠穩(wěn)健可靠，就會出現(xiàn)問題，導致無響應的“磚頭”設備，客戶不悅，以及成本不菲的設備返廠以進行固件恢復。Anritsu憑借大批量制造測試的可靠性和速度，在競爭中脫穎而出。因此，我們的主要要求包括快速啟動時間和快速固件升級時間。

　　我們通過實現(xiàn)賽靈思應用指南 XAPP1081介紹的和圖 2 中總結(jié)的 QuickBoot 黃金鏡像固件升級架構與流程，解決了這個問題。傳統(tǒng)7 系列回讀多重啟動解決方案采用的啟動過程可保持已知正確的“黃金”鏡像，在配置閃存存儲器中包含比特流。在更新過程中，更新的“工作”鏡像在“黃金”鏡像之后載入存儲器。如果更新過程失敗或者“工作”鏡像損壞，F(xiàn)PGA會自動檢測錯誤并回讀至“黃金”鏡像。XAPP1081 Quick-Boot 方法進一步擴展該過程，使其具備更完善的配置時間和“黃金”鏡像更新特性。

　　在該項目成功的基礎之上，我們進一步展望下一代賽靈思器件將如何為Anritsu 產(chǎn)品實現(xiàn)更多功能。例如，大量的功耗預算被片外 SDRAM 互聯(lián)占用。我們期望研究如何利用更新的 16nm UltraScale 系列的UltraRAM 來減少或消除該負載，或許可以在應用中采用支持 ARM7 的 Zynq-7000 AllProgrammable SoC 產(chǎn)品線。  

　　如需了解更多信息，敬請聯(lián)系：更新過程中，更新的“工作”鏡像在“黃金”鏡像之后載入存儲器。如果更新過程失敗或者“工作”鏡像損壞，F(xiàn)PGA會自動檢測錯誤并回讀至“黃金”鏡像。XAPP1081 Quick-Boot 方法進一步擴展該過程，使其具備更完善的配置時間和“黃金”鏡像更新特性。

　　在該項目成功的基礎之上，我們進一步展望下一代賽靈思器件將如何為Anritsu 產(chǎn)品實現(xiàn)更多功能。例如，大量的功耗預算被片外 SDRAM 互聯(lián)占用。我們期望研究如何利用更新的 16nm UltraScale 系列的UltraRAM 來減少或消除該負載，或許可以在應用中采用支持 ARM7 的 Zynq-7000 AllProgrammable SoC 產(chǎn)品線。  

　　如需了解更多信息，敬請聯(lián)系作者：更新過程中，更新的“工作”鏡像在“黃金”鏡像之后載入存儲器。如果更新過程失敗或者“工作”鏡像損壞，F(xiàn)PGA會自動檢測錯誤并回讀至“黃金”鏡像。XAPP1081 Quick-Boot 方法進一步擴展該過程，使其具備更完善的配置時間和“黃金”鏡像更新特性。

　　在該項目成功的基礎之上，我們進一步展望下一代賽靈思器件將如何為Anritsu 產(chǎn)品實現(xiàn)更多功能。例如，大量的功耗預算被片外 SDRAM 互聯(lián)占用。我們期望研究如何利用更新的 16nm UltraScale 系列的UltraRAM 來減少或消除該負載，或許可以在應用中采用支持 ARM7 的 Zynq-7000 AllProgrammable SoC 產(chǎn)品線。