如何利用FPGA解决手持设备MPU的功耗问题

消费类手持设备市场正呈跳跃式发展。便携式产品处理能力不断增加，所支持的应用越来越多；产品更新换代速度加快，新产品必须满足上市时间要求，以便获得最大的市场机会；产品生命周期的缩短要求缩短开发周期，同时更加强调可复用性和可重复编程能力。新兴手持设备市场还有一个有趣的趋势，即一个系列中的每种设备的出货量越来越少，但系列设备间的定制功能却越来越多，进而有效提升了产品的总出货量。这样，关键挑战就变成了如何开发一个可广泛复用同时又可定制的系统。

　　为应对上述挑战，越来越多的设计人员开始使用FPGA进行手持产品的开发。FPGA的功能日益强大和丰富，而门数、面积和频率也在不断增加。FPGA的开发和周转时间要比定制ASIC短得多，可重复编程的额外优势使得FPGA成为手持嵌入式系统领域中颇具吸引力的解决方案。在基于ASIC或FPGA的设计中，设计人员必须认真考虑某些性能标准，他们面临的挑战主要体现在面积、速度和功耗方面。

　　与ASIC一样，供应商在FPGA设计中也需要应对面积和速度的挑战。随着门数不断增加，FPGA需要更大的面积和尺寸来适应更多的应用，设计工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面积。不断演进的FPGA技术也给设计人员带来一系列新的挑战，电源利用率就是其中之一，这对于为手持或便携式设备设计基于FPGA的嵌入式系统来说是急需解决的问题。

　　嵌入式系统中的FPGA

　　典型的嵌入式系统由处理器、存储器、包括USB、SPI、I2C在内的标准接口以及液晶显示器、音频输出等外设组成。设备的核心仍是处理器和处理器接口，它们通过板载连线连接到各个外设。系统性能主要取决于处理器性能，而处理器通常具有非常标准的架构，因而不容易定制。

　　有时处理器可能忙于处理来自低速外设的信息，虽然在这种情况下处理器使用率可能达到100%，但并不是在做以微处理器为中心的事务，而是工作在特别低的性能水平。不管其内核频率是多少，微处理器必须等待来自低速时钟的数据。这也会导致较高的功耗，因为处理器的利用率是100%。其结果将缩短电池寿命，并且需要更大的散热器或风扇进行冷却，最终影响整个系统的可靠性。

　　于是，FPGA在这方面开始发挥重要作用，因为它们能从处理器卸载许多外设交互任务。如图1所示，利用标准千兆TCP/IP网络实现的未压缩音视频数据流的嵌入式分布系统。它有一个专用DSP处理器，这个处理器通过一个标准总线接口与赛灵思的FPGA相接，FPGA再连接到各个低速外设。

　　图1：用于音频/视频分布系统的FPGA架构。