正確選擇FPGA至關(guān)重要
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作者：夏明威
時(shí)間：2005-09-21
來(lái)源：EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)
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正確選擇FPGA至關(guān)重要
隨著市場(chǎng)對(duì)大量精密但相對(duì)成本較低的終端產(chǎn)品的需求日高，設(shè)計(jì)工程師正利用速度更快、密度更高和相對(duì)更便宜的IC芯片，為FPGA產(chǎn)品在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中開(kāi)展全新的應(yīng)用。
相對(duì)于簡(jiǎn)單的膠粘邏輯應(yīng)用平臺(tái)，現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)使用FPGA執(zhí)行高度復(fù)雜的時(shí)序控制功能，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)信道設(shè)計(jì)，甚至先進(jìn)的加密技術(shù)設(shè)計(jì)。
由于掩膜成本持續(xù)居高不下，別具成本效益的用戶可編程FPGA提供了極具吸引力的解決方案，替代傳統(tǒng)的ASIC以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)功能。當(dāng)前，典型的電路板設(shè)計(jì)也許只是將現(xiàn)成的處理器或DSP、一些存儲(chǔ)器、幾個(gè)ASSP和一個(gè)或多個(gè)大型但成本經(jīng)濟(jì)的FPGA整合在一起而已。
在這種情況下，Actel正著手轉(zhuǎn)變其基礎(chǔ)的可編程邏輯技術(shù)和市場(chǎng)重點(diǎn)。在技術(shù)方面，將從高速、獨(dú)特的反熔絲技術(shù)轉(zhuǎn)向以Flash為基礎(chǔ)的技術(shù)；同時(shí)，市場(chǎng)重點(diǎn)從用于電信領(lǐng)域的高價(jià)位IC轉(zhuǎn)向適用于所有領(lǐng)域的低價(jià)位IC。
兩、三年前，可編程邏輯公司的發(fā)展迅猛，因?yàn)槟菚r(shí)這些公司的電路售價(jià)一般為500或1,000美元，銷(xiāo)售對(duì)象都是電信公司。如今，我們回到現(xiàn)實(shí)世界中，事實(shí)上IC并不是1,000美元的產(chǎn)品 - 它從來(lái)未曾是 - IC一般的業(yè)內(nèi)行情是低于10美元 - 通常都不會(huì)達(dá)50美元，500美元更絕不可能。因此，Actel首要解決的問(wèn)題是如何配合這個(gè)需要提供產(chǎn)品。
很明顯，影響設(shè)計(jì)師選用IC電路的因素有4個(gè)：首個(gè)影響是低于10美元的價(jià)位；第二個(gè)影響是功耗減少；第三則是安全性 - 使得客戶的設(shè)計(jì)無(wú)法被人復(fù)制；第四是原有軟件錯(cuò)誤問(wèn)題的新變種 -稱為'固件錯(cuò)誤'- 這原本是由輻射的a 粒子造成，現(xiàn)在則由中子造成。Actel對(duì)以Flash為基礎(chǔ)ProASIC系列的目標(biāo)非常簡(jiǎn)單，以最低的成本提供最多的系統(tǒng)門(mén)。速度和功耗固然重要，但很大程度上可以靠縮放比例來(lái)解決。
Actel公司已確定2003年中國(guó)增長(zhǎng)幅度最大的行業(yè)是航空航天、通信和最重要的消費(fèi)電子，這些都是Actel一向以來(lái)發(fā)展良好的領(lǐng)域。
雖然許多公司哀嘆通信市場(chǎng)沒(méi)有增長(zhǎng)，Actel依然看到這個(gè)市場(chǎng)呈健康發(fā)展勢(shì)態(tài)。例如，中國(guó)仍在進(jìn)行大型的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，確保擁有世界一流的通信設(shè)施。在中國(guó)能建構(gòu)別具成本效益產(chǎn)品的能力推動(dòng)下，Actel預(yù)計(jì)這將有助于通信領(lǐng)域的復(fù)蘇，2004年的增長(zhǎng)率可望接近20%。
然而，2003/2004年發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮倪€是消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是DVD播放機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)和PDA。中國(guó)已成為世界最主要的電子產(chǎn)品制造基地。
采用PLD進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇PLD時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素包括： 功耗、 安全性、固件錯(cuò)誤、 總系統(tǒng)成本。
雖然FPGA常常被推廣為ASIC的替代產(chǎn)品，但并不是所有的FPGA技術(shù)都能提供ASIC所有的全部特性。令許多設(shè)計(jì)人員驚訝的是FPGA與ASIC相比的功耗特性。在三種主要的FPGA技術(shù)中，只有Flash和反熔絲技術(shù)的功耗特性與ASIC相似。
FPGA的功率特性是涌入尖峰、配置、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率的組合。這些元素描述了FPGA的功率要求，但并沒(méi)有反映揮發(fā)性SRAM FPGA技術(shù)其它隱含的功率要求。使用SRAM FPGA時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到該技術(shù)對(duì)總系統(tǒng)功率的影響。
SRAM FPGA需要非易失性存儲(chǔ)器保存配置數(shù)據(jù)，這種存儲(chǔ)器通常是一個(gè)或多個(gè)EEPROM。這些"引導(dǎo)PROM"也需要消耗功率，因此，總功耗也會(huì)增加。在某些系統(tǒng)中，可能利用微處理器來(lái)啟動(dòng)采用現(xiàn)有的非易失性存儲(chǔ)器系統(tǒng)，在這些應(yīng)用中，可能不需要專用的引導(dǎo)PROM。雖然這不會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，但由于必須增加存儲(chǔ)器以保存SRAM配置數(shù)據(jù)，因而會(huì)增加成本。大多數(shù)系統(tǒng)要求部分設(shè)計(jì)能夠在加電時(shí)運(yùn)行，以便與總線通信并為系統(tǒng)的其余部分加上電源。FPGA通常用作系統(tǒng)控制器。然而，如果采用SRAM器件作為系統(tǒng)控制器，則需要額外的元件來(lái)提供啟動(dòng)功能，一般采用小型CPLD執(zhí)行此項(xiàng)功能。如果使用Flash或反熔絲FPGA，則不需要這個(gè)元件。這個(gè)啟動(dòng)CPLD也會(huì)增加總系統(tǒng)功率要求。
選擇FPGA技術(shù)之前，了解功率預(yù)算和總系統(tǒng)功率要求及成本是非常重要的。各種FPGA技術(shù)的功耗特性差異很大。Flash和反熔絲FPGA均可在上電時(shí)運(yùn)行，且不會(huì)產(chǎn)生較大的加電電流峰值，加電電流峰值會(huì)大大縮短便攜設(shè)備的電池壽命。在固定系統(tǒng)中，采用SRAM技術(shù)會(huì)顯著增加功率要求，不僅需要支持更高的動(dòng)態(tài)功率，還要支持更高的Icco要求，并避免系統(tǒng)電壓降低。
因?yàn)樾枰捎幂^大的電源以配合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工作條件的峰值要求，所以，功耗增加會(huì)直接增加成本。功耗增加還存在隱含的成本。較大的電源產(chǎn)生額外的熱量，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度更高，系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)縮短。換句話說(shuō)，較大的電源會(huì)導(dǎo)致成本增加，用于改善熱管理以散發(fā)額外的熱量。選擇合適的FPGA是一項(xiàng)復(fù)雜的決策，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)地評(píng)估密度、非易失性、可重編程性、性能、安全性和功耗等方面的因素，以針對(duì)特定應(yīng)用做出最佳的抉擇。
相對(duì)于簡(jiǎn)單的膠粘邏輯應(yīng)用平臺(tái)，現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)使用FPGA執(zhí)行高度復(fù)雜的時(shí)序控制功能，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)信道設(shè)計(jì)，甚至先進(jìn)的加密技術(shù)設(shè)計(jì)。
由于掩膜成本持續(xù)居高不下，別具成本效益的用戶可編程FPGA提供了極具吸引力的解決方案，替代傳統(tǒng)的ASIC以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)功能。當(dāng)前，典型的電路板設(shè)計(jì)也許只是將現(xiàn)成的處理器或DSP、一些存儲(chǔ)器、幾個(gè)ASSP和一個(gè)或多個(gè)大型但成本經(jīng)濟(jì)的FPGA整合在一起而已。
在這種情況下，Actel正著手轉(zhuǎn)變其基礎(chǔ)的可編程邏輯技術(shù)和市場(chǎng)重點(diǎn)。在技術(shù)方面，將從高速、獨(dú)特的反熔絲技術(shù)轉(zhuǎn)向以Flash為基礎(chǔ)的技術(shù)；同時(shí)，市場(chǎng)重點(diǎn)從用于電信領(lǐng)域的高價(jià)位IC轉(zhuǎn)向適用于所有領(lǐng)域的低價(jià)位IC。
兩、三年前，可編程邏輯公司的發(fā)展迅猛，因?yàn)槟菚r(shí)這些公司的電路售價(jià)一般為500或1,000美元，銷(xiāo)售對(duì)象都是電信公司。如今，我們回到現(xiàn)實(shí)世界中，事實(shí)上IC并不是1,000美元的產(chǎn)品 - 它從來(lái)未曾是 - IC一般的業(yè)內(nèi)行情是低于10美元 - 通常都不會(huì)達(dá)50美元，500美元更絕不可能。因此，Actel首要解決的問(wèn)題是如何配合這個(gè)需要提供產(chǎn)品。
很明顯，影響設(shè)計(jì)師選用IC電路的因素有4個(gè)：首個(gè)影響是低于10美元的價(jià)位；第二個(gè)影響是功耗減少；第三則是安全性 - 使得客戶的設(shè)計(jì)無(wú)法被人復(fù)制；第四是原有軟件錯(cuò)誤問(wèn)題的新變種 -稱為'固件錯(cuò)誤'- 這原本是由輻射的a 粒子造成，現(xiàn)在則由中子造成。Actel對(duì)以Flash為基礎(chǔ)ProASIC系列的目標(biāo)非常簡(jiǎn)單，以最低的成本提供最多的系統(tǒng)門(mén)。速度和功耗固然重要，但很大程度上可以靠縮放比例來(lái)解決。
Actel公司已確定2003年中國(guó)增長(zhǎng)幅度最大的行業(yè)是航空航天、通信和最重要的消費(fèi)電子，這些都是Actel一向以來(lái)發(fā)展良好的領(lǐng)域。
雖然許多公司哀嘆通信市場(chǎng)沒(méi)有增長(zhǎng)，Actel依然看到這個(gè)市場(chǎng)呈健康發(fā)展勢(shì)態(tài)。例如，中國(guó)仍在進(jìn)行大型的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，確保擁有世界一流的通信設(shè)施。在中國(guó)能建構(gòu)別具成本效益產(chǎn)品的能力推動(dòng)下，Actel預(yù)計(jì)這將有助于通信領(lǐng)域的復(fù)蘇，2004年的增長(zhǎng)率可望接近20%。
然而，2003/2004年發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮倪€是消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是DVD播放機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)和PDA。中國(guó)已成為世界最主要的電子產(chǎn)品制造基地。
采用PLD進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇PLD時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素包括： 功耗、 安全性、固件錯(cuò)誤、 總系統(tǒng)成本。
雖然FPGA常常被推廣為ASIC的替代產(chǎn)品，但并不是所有的FPGA技術(shù)都能提供ASIC所有的全部特性。令許多設(shè)計(jì)人員驚訝的是FPGA與ASIC相比的功耗特性。在三種主要的FPGA技術(shù)中，只有Flash和反熔絲技術(shù)的功耗特性與ASIC相似。
FPGA的功率特性是涌入尖峰、配置、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率的組合。這些元素描述了FPGA的功率要求，但并沒(méi)有反映揮發(fā)性SRAM FPGA技術(shù)其它隱含的功率要求。使用SRAM FPGA時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到該技術(shù)對(duì)總系統(tǒng)功率的影響。
SRAM FPGA需要非易失性存儲(chǔ)器保存配置數(shù)據(jù)，這種存儲(chǔ)器通常是一個(gè)或多個(gè)EEPROM。這些"引導(dǎo)PROM"也需要消耗功率，因此，總功耗也會(huì)增加。在某些系統(tǒng)中，可能利用微處理器來(lái)啟動(dòng)采用現(xiàn)有的非易失性存儲(chǔ)器系統(tǒng)，在這些應(yīng)用中，可能不需要專用的引導(dǎo)PROM。雖然這不會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，但由于必須增加存儲(chǔ)器以保存SRAM配置數(shù)據(jù)，因而會(huì)增加成本。大多數(shù)系統(tǒng)要求部分設(shè)計(jì)能夠在加電時(shí)運(yùn)行，以便與總線通信并為系統(tǒng)的其余部分加上電源。FPGA通常用作系統(tǒng)控制器。然而，如果采用SRAM器件作為系統(tǒng)控制器，則需要額外的元件來(lái)提供啟動(dòng)功能，一般采用小型CPLD執(zhí)行此項(xiàng)功能。如果使用Flash或反熔絲FPGA，則不需要這個(gè)元件。這個(gè)啟動(dòng)CPLD也會(huì)增加總系統(tǒng)功率要求。
選擇FPGA技術(shù)之前，了解功率預(yù)算和總系統(tǒng)功率要求及成本是非常重要的。各種FPGA技術(shù)的功耗特性差異很大。Flash和反熔絲FPGA均可在上電時(shí)運(yùn)行，且不會(huì)產(chǎn)生較大的加電電流峰值，加電電流峰值會(huì)大大縮短便攜設(shè)備的電池壽命。在固定系統(tǒng)中，采用SRAM技術(shù)會(huì)顯著增加功率要求，不僅需要支持更高的動(dòng)態(tài)功率，還要支持更高的Icco要求，并避免系統(tǒng)電壓降低。
因?yàn)樾枰捎幂^大的電源以配合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工作條件的峰值要求，所以，功耗增加會(huì)直接增加成本。功耗增加還存在隱含的成本。較大的電源產(chǎn)生額外的熱量，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度更高，系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)縮短。換句話說(shuō)，較大的電源會(huì)導(dǎo)致成本增加，用于改善熱管理以散發(fā)額外的熱量。選擇合適的FPGA是一項(xiàng)復(fù)雜的決策，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)地評(píng)估密度、非易失性、可重編程性、性能、安全性和功耗等方面的因素，以針對(duì)特定應(yīng)用做出最佳的抉擇。
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