救命武器FPGA

今天，每个设计师都在担心3件事：尺寸、能耗和成本；对于便携产品设计师来说，这3个问题都可能成为噩梦。作为消费者，我们想要所有的功能，只要它能装进MP3播放器、GPS模块或者智能手机里。当然，我们还希望这些产品少花钱，较后还要足够小，可以混在周围环境中毫不显眼。并且，我们还希望它永远也不需要充电！但是，让系统设计师沮丧的是，增加任何一种功能都会增加尺寸、成本和能耗。而幸运的是，一种新的小型、低能耗同时又比较便宜的现场可编程门阵列（FPGA）将能充当系统设计师的救命武器。

历史上，传统FPGA器件的高能耗让它们与便携式产品市场绝缘。而复杂可编程逻辑器件（CPLD）──这种不太贵、不太复杂也小巧一些的FPGA的表亲）被便携式设备采用，用于提供基本的编程能力，并执行一些基本操作，诸如电压切换和端口增强。但是，较新出现的超低能耗FPGA以其高逻辑容量开始在便携系统设计师面前展现出一定的可能性，比如SiliconBlue科技的iCE65 FPGA。结果，传统上只能使用更大更耗能的器件、并且要配有精心设计的散热系统的FPGA应用，现在也可以从容地进入手持设备中了，并且不会烧伤手。

这种应用中的一类是将FPGA用作“协处理器”──可以替代主应用处理器处理一些操作的第二处理器。在传统的嵌入式系统设计中，FPGA协处理器的目的是要加速某些形式的代码，这主要是通过找出计算密集的算法并将其放到FPGA硬件中来实现的。但是，在低能耗的消费产品应用中，FPGA协处理器的主要目标是节能，主要方式是从应用处理器上转移出来一些计算任务。这种任务之一就是简单的每半秒闪一下蓝牙LED指示灯。很明显，系统中用的ARM处理器绝对可以处理这个问题；但是，用ARM来处理就像是用18轮大卡车来送信到邮局。更好的方案就是让系统处理器保持深度睡眠模式，而把LED闪动功能转移到一个小型低能耗的FPGA上去。

更复杂的例子是MP3。通常，应用处理器被用于对MP3进行解码并将音频数据送往DAC或者是蓝牙模块。这就意味着能耗较大的应用处理器必须在MP3播放的全程都要保持工作。较好的方法是应用处理器把MP3文件放到一个缓冲器中，而让FPGA来对MP3进行解码，并将数据流送往DAC，这时应用处理器就可以进入关断状态。

但是，用FPGA来实现节能型MP3协处理器只是众多这类应用中的一个。今天，便携式产品世界的主流趋势是聚合──手机不再只是一个电话；它同样也可以是一个音频或视频播放器，一个照相机和一台GPS。这些新的多功能产品给设计师带来了新的能耗挑战：一个产品只用作手机时可能有很长的电池寿命，但它播放视频时可能很快就会把电池用光。

继续考虑MP3的例子，全速运行的应用处理器，还要同视频编解码器以及媒体FIFO协同工作，这个系统难以获得较佳能耗表现。这是又一个FPGA协处理器可以发挥作用的地方。它可以配置来执行编解码器和FIFO的功能，同时只使用比应用处理器低很多的能耗，这样就能延长电池使用时间。智能手机还要使用一个LCD时序控制器，它把CPU和显示屏联系到一块。这也是一个FPGA协处理器可以用来降低负载的地方。每当低能耗的FPGA将负载从应用处理器上转移出来的时候，我们都可以获得节省能耗的效果。

那么，为什么不只用一块ASIC呢？FPGA协处理器对ASIC或ASSP系统芯片的较大益处就是它可重复编程的能力。就是指为了让一部智能手机能支持更新的视频功能，工程师就需要在现有的应用处理器中把视频功能升级到MPEG4这种情况。使用ASIC或ASSP很容易就会用上数月时间，并且还会有制造成本的问题。与之相比，FPGA方案可以在一周内完成，并且没有额外生产成本。

随着新型小巧、超低能耗的FPGA的问世，以往只有插电设备享受到的FPGA的成本、灵活性以有上市时间等优势也完全可以应用到能耗和尺寸受限的手持设备了。明智地使用FPGA可以明显地处长电池使用时间，并且可以带来新的市场营销亮点，诸如“10小时MP3播放时间”、“6小时GPS使用”等，这些功能都不像它们看起来那样遥不可及了。

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