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怎么选用FPGA计划完成数字显现体系规划

系统级芯片(SoC)解决方案被誉为半导体业最重要的发展之一,目前,从数字手机和数字电视等消费类电子产品到高端通信LAN/WAN设备中,这一器件随处可见。过去,为了创建此类嵌入式系统,设计工程师不得不在

体系级芯片(SoC)处理计划被誉为半导体业最重要的开展之一,现在,从数字手机和数字电视等消费类电子产品到高端通讯LAN/WAN设备中,这一器材随处可见。曩昔,为了创立此类嵌入式体系,规划工程师不得不在处理器、逻辑单元和存储器等三种硬件中进行挑选,而现在这些器材已合并为单一的SoC处理计划

SoC面对的应战

嵌入式体系SoC可选用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)完结。开发新式SoC器材需求处理的几个要害问题包含:新的规划东西、先进的工艺技能及半导体IP。虽然在技能上非常先进,依据ASIC的SoC工业依然面对着应战,甚至会因而难以彻底发挥潜力,以下罗列其面对的一些问题和应战:

1.体系杂乱性不断添加,因而更简略引起规划过错和产品推迟,而从头投片则会导致本钱上升。

2.上市时刻压力更大。缩短上市时刻面对着许多内部及外部压力要求,因为现在的规划办法依然依照传统ASIC时刻进展施行。

3.产品生命周期更短,对生命周期为半年到一年的产品进行规划复用的要求更强了。

4.多种业界规范并存。各种新的业界规范不断发生和更新,因而产品难以与业界规范的改变坚持同步。

5.可用于不同产品的规划灵敏性较差。

6.可重装备及现场晋级功用缺少。

现在,依据FPGA的SoC能够处理曾经依据ASIC的SoC无法完结的使命和应战,如现场晋级、削减产品上市时刻、满意不断出现和更新的规范要求。依据FPGA的SoC规划可用于多种场合,其间从ASIC向FPGA转型中获益最多的使用包含:

1.通讯及网络:网络及无线根底设施。

2.数据处理:服务器及存储设备。

3.消费类电子产品:数字机顶盒、数字电视和个人摄像机。

ASIC在器材本钱、尺度和功用上颇具优势;而FPGA则在上市时刻、建模时刻及晋级才能上稍胜一筹,这些是权衡规划中FPGA和ASIC取舍的根本依据。与ASIC比较,FPGA最大的不同在于它选用了很多的晶体管和内部互联来完结编程。因为ASIC所用的晶体管数较少,因而就这一方面而言,ASIC的器材本钱一般比FPGA要低。不过,依据摩尔定律所述,FPGA和ASIC在密度、功用及器材本钱上的距离正逐渐缩小。

芯片内连技能,如选用更多金属层及铜连线,有助于缩小FPGA和ASIC之间的本钱、密度及功用距离。此外,在核算依据ASIC或FPGA的SoC本钱时,除了出产本钱外,规划开发所需的时刻和经费也是一项重要的考虑要素。

Xilinx的可编程逻辑器材的开展过程。FPGA开端仅供给简略的逻辑处理计划组合,然后开展为PlatformsFPGA,在功用及总本钱上均为体系结构规划工程师供给了极大价值。现在,从网络设备到高端消费类器材,FPGA均开端了大批量出产。下面以PlatformFPGA计划为例,阐明依据FPGA的SoC计划的特色。

PlatformFPGA处理计划

PlatformFPGA是高功用的SoC处理计划,下面对其特色进行概要介绍。

A.PlatformFPGA模型

以因特网、无线、全球化及个人通讯为代表的信息化年代要求设备出产商在规范通讯体系中添加数据率及通道数,以支撑视频流、音频流及数据流。PlatformFPGA为出产商供给了所需的体系灵敏性、上市时刻并可支撑高带宽要求。此外,PlatformFPGA供给了用于嵌入式处理器的体系操控、用于客户订制数据滤涉及并行处理的DSP内核以及用于体系高速数据通讯的吉比特串行及源同步I/O口。

Virtex-II体系门密度为4万到800万不等,可供给嵌入式体系存储器。因为这种高密度片上存储器可供给快速高效的FIFO缓冲区、移位寄存器及CAM,因而添加了全体体系带宽。嵌入式RAM模块及高速存储接口为带宽要求很高的体系供给了强壮的、依据存储器的数据通道。

Virtex-II器材及其扩展器材所供给的PlatformFPGA功用可处理体系级规划中面对的信号完好性、杂乱体系时钟办理及板上EMI办理等问题。

B.PlatformFPGA的软硬内核

PlatformFPGA是一种灵敏的处理计划,它在单芯片上集成了一系列软硬IP内核,一起硬件和固件可随时晋级。FPGA架构的可编程性缩短了体系开发时刻,单个PlatformFPGA就可满意多种使用需求。此外,它还供给了软硬件协同规划的灵敏性,规划工程师可在开发周期内便进行体系优化。

PlatformFPGA选用了IP刺进和有源内连技能。选用IP刺进技能可将任何巨细或形状的软硬IP内核无缝地刺进到FPGA架构中任何部分,并坚持与周围阵列极佳的连通性。而有源内连技能则供给了有源的布线通道,使得软硬IP内核不管坐落阵列何处均可坚持稳定、高效的功用。

处理器的功用

用于PlatformFPGA的EmPower!处理计划为嵌入式处理器供给了最高功用的可编程体系,一起还可自由挑选客户订制的处理计划。它所选用的嵌入式PowerPC405微处理器内核作业频率为300MHz,可供给超越420MIP的功用。此外,Virtex-II器材上的MicroBlaze软处理器内核是32位RISC处理器,作业频率为125MHz,可供给82MIP的功用。

Virtex-II处理计划中结合了嵌入式乘法器和增强的算术功用,具有超越0.5T-MAC/s的XtremeDSP功用,比业界最先进的嵌入式DSP处理器内核快100倍以上。将Xilinx的体系生成器与MathWork的MATLAB及Simulink相结合,可为体系和DSP规划工程师供给了一套他们了解的、完好的规划东西。

此外,SystemIO充沛处理了高功用规划中林林总总的体系互联问题,包含物理接口和协议,以供给更高的带宽。为了使PlatformFPGA能够支撑最快的通讯规范,如10G以太网、OC-192、Infiniband和XAUI接口规范,Virtex-II系列FPGA中集成了速度高达吉比特的串行收发器。SystemIO接口供给了最为灵敏的处理计划来兼容一些新式的接口规范,其间包含RapidIO、LDT、SPI4、PCI66、PCI、FlexBus4及POS-PHY4并行总线。

PlatformFPGASoC使用实例

一个依据PlatformFPGA的SoC数字显现使用实例。数字视频规划中一个需求处理的要害问题是在同一块电路板上完结不同元件之间以及不同产品间的接口问题。USB2.0、IEEE1394和PCI可完结高速接口,而FPGA则供给了一种抱负渠道,为不同的技能供给接口及协议转化。

一般来说,数字视频技能的根底在于数字图像处理。本计划中,FPGA可供给功用杰出的DSP处理才能,因而能够经过可编程逻辑来完结数字图像处理。FPGA为数字视频流的编解码供给了一种有用的处理计划,并广泛用于颜色空间转化功用、MPEG块、转化率操控及Reed-Solomon和维特比解码器等模块。

显现驱动电路选用FPGA则易于编程,可用来操控显现所需的杂乱时序信号,一起还可灵敏地完结支撑不同显现元件的多种版别。

小结

现在的FPGA是一种快速有用的开发渠道,可加速开发周期,原因在于其具有灵敏的架构、先进的处理技能、强有力的软件归纳技能及丰厚的IP库,可供给最完好的体系集成处理计划。

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