采用Coolrunner CPLD产品设计PDA须知

采用Coolrunner CPLD产品设计PDA须知

     现今的PDA设备已经发展到把原先互相分离的语音、数据和视频技术融合到一起，未来几年集成数码相机、802.11x WLAN、GPS和蓝牙的PDA产品将逐渐成为IT消费市场的一大亮点，而谁能更快地向市场推出这些产品很大程度上将决定它在这一潜力广阔市场上的竞争优势。
    
     当今消费电子市场的产品周期已缩短到用月份来计算，因此要求大多数新技术尽快能走向市场，产品快速上市的压力变得十分巨大。Xilinx公司推出的面向消费市场的CoolRunner-II CPLD可编程逻辑产品能够缓解系统设计者面对的这种压力，同时还具有许多别的优势。
    
     CoolRunner-II具有两个方面的优势：低功耗与高性能。系统设计者总是希望选择不需要靠牺牲更多功耗来换取速度的高性能产品。CoolRunner-II CPLD在一种结构里同时实现了低功耗与高速度，既有助于延长电池寿命，也能与高速处理器一起工作。
    
     CoolRunner-II 系列CPLD与以前的XPLA CPLD产品有许多不同之处，从工艺技术到降低功耗方面都有很大的改进，可以说开创了CPLD应用的新时代。
    
     （1）增强型 I/O
    
     为了便于应用在多系统架构中，CoolRunner-II CPLD 集成了多重I/O接口标准，包括常规3.3v TTL接口、CMOS I/O结构以及LVCMOS 25、18 和 15。人们期望使用这些I/O标准，因为这是转向低电平的过渡途径。
    
     CoolRunner-II CPLD 还支持高速存储器接口中常见的SSTL 和 HSTL I/O标准，从而能够处理一般低功耗处理器不能处理的大多数接口。对于基于微处理器的便携式设备而言，这使CoolRunner-II CPLD成为一种很好的系统集成解决方案。
    
     （2）更低功耗
    
     考虑到设计工程师们希望采用比XPLA功耗更低的器件，CoolRunner-II专门在原有架构上增加了新的特性来达到这个目的。XPLA的FZP技术和低的作电压已经降低了功耗，但在对功率要求严格的应用中，采用新技术进一步降低设计的整体功耗是非常重要的。与XPLA架构相比，CoolRunner-II CPLD有两个新的特性。
    
     其中之一称之为“数据门电路”(DataGate)技术，其思路是输入端口没有在使用时，通过减少对它们不必要的管理和控制工作，就有可能降低功耗。最主要的例子就是总线接口，它仅在数据输入到CPLD时，输入端口才处于激活状态。DataGate去掉了输入端口上不必要的高低电平转换。这些转换通过两种途径消耗功率：首先就是线性操作。当一个逻辑器件转换状态时会进入一段线性工作区，这时比空闲状态更加耗电，虽然绝对数值不大，但当总线规模扩大时，输入端多余的状态转换耗电也随之增大。对于时钟信号情况也一样，即使CPLD不工作了，I/O口上仍保持一定电平。使用DataGate技术会带来少许时钟延迟，但在大多数情况下该延迟可以忽略不计。使用DataGate技术的时钟在大大降低功耗的同时还可能影响竞争形式，因此在使用时有必要予以更多关注。
    
     （3）易于使用的特性
    
     CoolRunner-II CPLD还拥有XPLA CPLD架构不具备的其它一些特性。
    
     在与产品设计工程师们交谈的过程中会发现，模拟器件有时候是接口设计的一个窍门。有些类型的施密特触发输入(也就是输入滞后)十分有用。因此，CoolRunner-II CPLD也支持施密特触发输入模式。它通过快速转换慢转换信号来减少功耗，并在慢上升模拟信号处于输入电压线性区域时推迟状态转换时间。施密特触发输入还可以用于消除尖峰噪声造成的状态转换误动作。不过，使用该输入方式同时可能形成简单振荡回路，因而需要考虑可靠性问题，不过，由于电路设计简单，还是能够节省元器件。
    
     （4）安全性设计
    
     在电子设备设计中，知识产权的流失一直是人们关注的问题。有多种途径能够得到设计原代码。当代码执行或导入设备时可以通过监视来了解设计者的主要设计思想。如果有利可图，有人就会利用“逆向工程”方法打开设备芯片，直接对某些芯片进行读写而破译其安全位(bit)。一旦安比特位失效，设计原代码就很容易被读取、查看和复制。
    
     CoolRunner-II CPLD加强了针对代码偷窃行为的安全性设计，安全位在裸片上的位置较分散，并影响到编程和寻址等等不同模式的操作。万一初始安全设置被破坏，器件自动进入锁定(LOCKDOWN)状态而不能使用。即使器件封装被打开，掩埋式内部互连设计也能保证侵入者无法跟踪安全连接，除非彻底破坏器件。即使签署了保密协议(NDA)，对方也无法了解到安全方面的细节。
    
     （5）用户可编程的“地”引脚
    
     由于工作电压降低了，噪声和地电平波动对信号完整性的影响更为严重。为了区分噪声和信号状态转换，差分I/O端口是很有效的方法。但采用差分I/O结构需要额外的电压输入引脚(参考电压)，这就要求增加电压调节器，甚至独立的“地”。高逻辑电平与地电平差值的缩小使得地电平波动产生的影响更加显著。现在，“开”和“关”逻辑之间的电压差仅有几百毫伏，而以前的产品中一般为几个伏特。因此，在电路设计和布局布线时必须多加考虑这些因素，尽量缩短信号传输路径，尽量减小潜在的干扰。
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     CoolRunner-II CPLD通过采用软件可定义的“地”引脚简化了噪声和地电平波动抑制方案。对于非差分I/O端口，可编程“地”引脚是减小噪声和地电平波动影响的理想方案。I/O引脚与地引脚间隔排列的方式能够承受一些潜在信号噪声的影响，而且可编程的地电平波动幅度也大大降低。同样，在高速转换信号附近设置可编程地也能减少间断性错误，提高了系统可靠性。
    
     (6) I/O组
    
     由于不同电子器件有不同的工作电压，因此必须要有多电平接口。CoolRunner-II CPLD里采用了I/O分组(banking)技术来连接电平不兼容的外部器件。“分组”一词用来描述CPLD中分割不同电平功能模块的能力。举例来说，某一个功能块的I/O端口连接3.3v器件，另一个模块则连接1.8v器件。由于同一器件里具有不同供电功能模块，因此不需要电压转换电路。这样就节省了电路板空间，简化了电压设计问题。
    
     (7)先进的设计工具
    
     CoolRunner-II解决方案包括了一套设计工具。集成在Xilinx ISE 4.1i集成软件环境(ISE)下的免费设计软件WebPACK使CoolRunner-II方案编译速度更快，设计过程更加简便(点击按钮式流程)，从而使得具有竞争力的逻辑解决方案能够很快地进入市场。
    
     该软件有两种公共的配置形式：
     ISE Foundation——完全集成的设计方案，可高效地完成逻辑设计的创建、综合、验证和实现。
     ISE WebPACK——免费并可以自由下载的全功能软件包，能够在除了Virtex 之外所有Xilinx产品中进行器件设计。
    
     设计实例：Handspring公司Visor PDA
    
    

Handspring公司的Springboard扩展模块的设计风格是简单易用、无需软件安装和冗长的配置过程。该模块能够方便地插入Handspring设备中并自动转载软件代码，所有特定驱动程序在模块插拔过程中均能自动安装或卸载。提供给第三方模块开发者的设计软件和开发工具非常简单易用，同时不收取或仅收取很少的费用。举例来说，一个典型的设计过程从使用Insight Springboard开发工具包开始，该工具包包括一块可插入Handspring扩展槽的开发电路板和以下一些软件工具：
    
     1．Xilinx ISE WebPACK软件包，它是一个免费的可下载逻辑开发环境，支持CoolRunner CPLD所有的设计步骤，从VHDL、Verilog或原理图设计输入到器件编程。
    
     2．PocketC软件，用于创立Visor PDA上的应用。
    
     3．Palm Emulator，带有Handspring外壳文件的Palm OS( Emulator (POSE)，是一个很有用的应用软件，可在PC上仿真Palm OS。
    
     Handspring以及其它一些PDA制造商都非常鼓励第三方为其产品开发模块，并在各自的网站上提供了各种开发软件列表和相关支持。
    
     这种简单的用户和设计模式也拓展和推动了模块的销售和市场推广。如果开发者采用了电子商务模式，销售和市场推广活动将变得更加低成本和简单化。额外的扩展模块设计公司不仅能够缩短研发过程，还能用少量的经费来启动一项前景很好的业务。
    
     当前市场上的模块应用领域广泛，从娱乐设备如数码相机、MP3播放器到商用设备如手持扫描仪和调制解调器等。
    
     模块的基本构成原理
    
     Handspring Visor的扩展模块需要配置能够在非易失性存储器(如闪存或 EPROM)上运行的软件。此外，一个基本的模块还需要将模拟信号数字化的A/D转换器、用于存储结果数据的SRAM，以及一些特定用途的逻辑电路和传感器。例如GPS功能模块就需要EPROM、SRAM、GPS射频电路和将它们连接在一起的某些逻辑。这些模块设计选择的任何元器件都要求有很小的外形尺寸并且功耗要很低。
    
     图1所示为Insight Electronics公司的附加模块设计，它采用Xilinx的CoolRunner CPLD用于连接SRAM、EPROM、A/D模块与Visor总线，并实现了信号缓冲器、多路复用器、计数器和状态机，以满足接口的数据传输需求。
    
     图1右边的交叉线阴影部分表示附加专用器件或传感器可能驻留的原型区域。之所以选择CoolRunner CPLD用于开发板设计是因为它提供了很大的硬件设计灵活性并且工作时功耗很低。附加模块上所有元器件的关键驱动器要求是低功耗、小外形尺寸和易于使用。CoolRunner系列CPLD能够满足这些要求，因为它们的待机电流小于100uA，芯片封装尺寸小，并有简单易用的免费设计软件。
    
     本文小结
    
     PDA设计的数字融合主要体现在“模块”的款式，但是其多样性亦丝毫不亚于其它消费类电子产品。主要的区别在于产品的融合由用户来选择，而不是设计者。这是一种典型的需求导向现象。终端用户可以选择PDA是否应该具有移动通信功能，是否需要配置录音设备、数字相机功能或者GPS导航系统。这种由PDA派生出的“数字融合”将会扩展到其它领域，最终可能产生“用户灵活性”产品设计模式。为了达到这个目的，设计者们需要给产品赋予可升级和可适应特性，而且要支持无需另外安装的即插即用功能。基于可编程逻辑器件的可重构硬