基于FPGA的數(shù)字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為例，說明采用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呻娐罚ǎ粒樱桑茫?shí)現(xiàn)。開發(fā)新型ＳｏＣ器件需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題包括：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?；冢疲校牵恋模樱铮迷O(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)及無線基礎(chǔ)設(shè)施。
２．?dāng)?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，ＦＰＧＡ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(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，根據(jù)摩爾定律所述，ＦＰＧＡ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?。疲校牵梁停粒樱桑弥g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ＰｌａｔｆｏｒｍｓＦＰＧＡ，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，ＦＰＧＡ均開始了大批量生產(chǎn)。下面以ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ方案為例，說明基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ方案的特點(diǎn)。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ解決方案

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ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．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ模型

以因特網(wǎng)、無線、全球化及個(gè)人通信為代表的信息化時(shí)代要求設(shè)備生產(chǎn)商在標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)中增加數(shù)據(jù)率及通道數(shù)，以支持視頻流、音頻流及數(shù)據(jù)流。ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為生產(chǎn)商提供了所需的系統(tǒng)靈活性、上市時(shí)間并可支持高帶寬要求。此外，ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ提供了用于嵌入式處理器的系統(tǒng)控制、用于客戶訂制數(shù)據(jù)濾波及并行處理的ＤＳＰ內(nèi)核以及用于系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)通信的吉比特串行及源同步Ｉ／Ｏ口。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系統(tǒng)門密度為４萬到８００萬不等，可提供嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器。由于這種高密度片上存儲(chǔ)器可提供快速高效的ＦＩＦＯ緩沖區(qū)、移位寄存器及ＣＡＭ，因此增加了整體系統(tǒng)帶寬。嵌入式ＲＡＭ模塊及高速存儲(chǔ)接口為帶寬要求很高的系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的、基于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通道。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ器件及其擴(kuò)展器件所提供的ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ功能可解決系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中面臨的信號(hào)完整性、復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)鐘管理及板上ＥＭＩ管理等問題。

Ｂ．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的軟硬內(nèi)核

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ是一種靈活的解決方案，它在單芯片上集成了一系列軟硬ＩＰ內(nèi)核，同時(shí)硬件和固件可隨時(shí)升級(jí)。ＦＰＧＡ架構(gòu)的可編程性縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，單個(gè)ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ就可滿足多種應(yīng)用需要。此外，它還提供了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)工程師可在開發(fā)周期內(nèi)便進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ采用了ＩＰ插入和有源內(nèi)連技術(shù)。采用ＩＰ插入技術(shù)可將任何大小或形狀的軟硬ＩＰ內(nèi)核無縫地插入到ＦＰＧＡ架構(gòu)中任何部分，并保持與周圍陣列極佳的連通性。而有源內(nèi)連技術(shù)則提供了有源的布線通道，使得軟硬ＩＰ內(nèi)核無論位于陣列何處均可保持穩(wěn)定、高效的性能。

處理器的性能

用于ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的ＥｍＰｏｗｅｒ！解決方案為嵌入式處理器提供了最高性能的可編程系統(tǒng)，同時(shí)還可自由選擇客戶訂制的解決方案。它所采用的嵌入式ＰｏｗｅｒＰＣ４０５微處理器內(nèi)核工作頻率為３００ＭＨｚ，可提供超過４２０ＭＩＰ的性能。此外，Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ器件上的ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ軟處理器內(nèi)核是３２位ＲＩＳＣ處理器，工作頻率為１２５ＭＨｚ，可提供８２ＭＩＰ的性能。

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ解決方案中結(jié)合了嵌入式乘法器和增強(qiáng)的算術(shù)功能，具有超過０．５Ｔ－ＭＡＣ／ｓ的ＸｔｒｅｍｅＤＳＰ功能，比業(yè)界最先進(jìn)的嵌入式ＤＳＰ處理器內(nèi)核快１００倍以上。將Ｘｉｌｉｎｘ的系統(tǒng)生成器與ＭａｔｈＷｏｒｋ的ＭＡＴＬＡＢ及Ｓｉｍｕｌｉｎｋ相結(jié)合，可為系統(tǒng)和ＤＳＰ設(shè)計(jì)工程師提供了一套他們熟悉的、完整的設(shè)計(jì)工具。
此外，ＳｙｓｔｅｍＩＯ充分解決了高性能設(shè)計(jì)中各式各樣的系統(tǒng)互聯(lián)問題，包括物理接口和協(xié)議，以提供更高的帶寬。為了使ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ能夠支持最快的通信標(biāo)準(zhǔn)，如１０Ｇ以太網(wǎng)、ＯＣ－１９２、Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ和ＸＡＵＩ接口標(biāo)準(zhǔn)，Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＦＰＧＡ中集成了速度高達(dá)吉比特的串行收發(fā)器。ＳｙｓｔｅｍＩＯ接口提供了最為靈活的解決方案來兼容一些新興的接口標(biāo)準(zhǔn)，其中包括ＲａｐｉｄＩＯ、ＬＤＴ、ＳＰＩ４、ＰＣＩ６６、ＰＣＩ、ＦｌｅｘＢｕｓ４及ＰＯＳ－ＰＨＹ４并行總線。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡＳｏＣ應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)基于ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的ＳｏＣ數(shù)字顯示應(yīng)用實(shí)例。數(shù)字視頻設(shè)計(jì)中一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題是在同一塊電路板上實(shí)現(xiàn)不同元件之間以及不同產(chǎn)品間的接口問題。ＵＳＢ２．０、ＩＥＥＥ１３９４和ＰＣＩ可實(shí)現(xiàn)高速接口，而ＦＰＧＡ則提供了一種理想平臺(tái)，為不同的技術(shù)提供接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換。

一般來說，數(shù)字視頻技術(shù)的基礎(chǔ)在于數(shù)字圖像處理。本方案中，ＦＰＧＡ可提供性能卓越的ＤＳＰ處理能力，因此可以通過可編程邏輯來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理。ＦＰＧＡ為數(shù)字視頻流的編解碼提供了一種有效的解決方案，并廣泛用于色彩空間轉(zhuǎn)換功能、ＭＰＥＧ塊、轉(zhuǎn)換率控制及Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ和維特比解碼器等模塊。

顯示驅(qū)動(dòng)電路采用ＦＰＧＡ則易于編程，可用來控制顯示所需的復(fù)雜時(shí)序信號(hào)，同時(shí)還可靈活地實(shí)現(xiàn)支持不同顯示元件的多種版本。

小結(jié)

現(xiàn)在的ＦＰＧＡ是一種快速有效的開發(fā)平臺(tái)，可加快開發(fā)周期，原因在于其擁有靈活的架構(gòu)、先進(jìn)的處理技術(shù)、強(qiáng)有力的軟件綜合技術(shù)及豐富的ＩＰ庫，可提供最完整的系統(tǒng)集成解決方案。