量產(chǎn)應(yīng)用的高功效定制

編者按：可配置處理器正在通過(guò)它的靈活性為系統(tǒng)架構(gòu)是和開發(fā)人員減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。以便攜式產(chǎn)品為例，產(chǎn)品功能日益復(fù)雜上市時(shí)間要求越來(lái)越短，設(shè)計(jì)預(yù)算也在縮減，應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是在一個(gè)通用平臺(tái)上開發(fā)新產(chǎn)品，這一平臺(tái)要足夠靈活以實(shí)現(xiàn)定制化和優(yōu)化功能。而在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)深度感知目前是通過(guò)立體圖像來(lái)計(jì)算深度的，算法的計(jì)算量很大。而采用FPGA的解決方案能使處理器的時(shí)間得到緩解，減少器件的成本，例如MPU、DSP、激光器和鏡頭等。通過(guò)提供給機(jī)器人其環(huán)境中的差異測(cè)繪，F(xiàn)PGA使機(jī)器人中的CPU專注于重要的高層任務(wù)，例如建圖和定位。

市場(chǎng)容量巨大的便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)正在發(fā)生變革，系統(tǒng)架構(gòu)師和開發(fā)人員也因此面臨著巨大挑戰(zhàn)。

首先是產(chǎn)品日益復(fù)雜化。消費(fèi)者對(duì)更多功能和更優(yōu)性能的需求與日俱增，卻不希望原材料成本提高及電池壽命縮水，為滿足這一需求，就需要更精密的軟件、信號(hào)設(shè)備和邏輯設(shè)計(jì)。

其次是不斷縮短的上市時(shí)間，由于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手需要滿足消費(fèi)者對(duì)更新、更好產(chǎn)品的需求，使原始設(shè)備制造商(OEM)和原始設(shè)計(jì)制造商(ODM)更加頻繁地發(fā)布新產(chǎn)品。例如，他們不再每年推出一代新產(chǎn)品，而是按季度發(fā)布新產(chǎn)品，也許還會(huì)更頻繁。此外，市場(chǎng)被地域和人口分成許多區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)δ茉O(shè)置的需求也不同。因此，新一代產(chǎn)品需要多種設(shè)計(jì)，以充分滿足全球市場(chǎng)的需求。比如，當(dāng)前一些領(lǐng)先的手機(jī)制造商期望一年可推出100多款新手機(jī)，多么令人難以置信!

最后是設(shè)計(jì)預(yù)算在縮水。為了進(jìn)行成本競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)無(wú)法利用大型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)同時(shí)開發(fā)交錯(cuò)發(fā)布的新產(chǎn)品，相反必須利用小型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)迅速開發(fā)新產(chǎn)品。同時(shí)，為了保證收益，新產(chǎn)品還不能盲目模仿老產(chǎn)品，它們必須具有差異化性能，才能脫穎而出并引起消費(fèi)者的興趣。

應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是在一個(gè)通用平臺(tái)上開發(fā)新產(chǎn)品，且這一平臺(tái)要足夠靈活以實(shí)現(xiàn)定制化和優(yōu)化功能。

平臺(tái)架構(gòu)

使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要從零開始創(chuàng)建一個(gè)新的和差異化的設(shè)計(jì)，根本跟不上步伐。基于專用集成電路(ASIC)和結(jié)構(gòu)ASIC的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也需要一年以上才能上市。專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)則趨于更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，但由于它們具有的“標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品”特性，實(shí)在無(wú)法實(shí)現(xiàn)硬件差異化，而基于處理器的設(shè)計(jì)可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化及優(yōu)化功能，但卻不能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本需求。

基于平臺(tái)的方法提供了一種更加靈活的設(shè)計(jì)方案。開發(fā)人員首先建立一個(gè)作為一系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)平臺(tái)，然后通過(guò)重新配置平臺(tái)以提供不同的功能設(shè)置，從而設(shè)計(jì)出差異化的產(chǎn)品，并通過(guò)添加新功能來(lái)優(yōu)化平臺(tái)。如果設(shè)計(jì)周全，單一平臺(tái)可以衍生出一系列能夠滿足不同市場(chǎng)需求，不同價(jià)位的差異化產(chǎn)品，問(wèn)題的本質(zhì)在于如何賦予一個(gè)平臺(tái)足夠的設(shè)計(jì)靈活性。

對(duì)于新一代移動(dòng)設(shè)備，處理器可以連接各種不同接口的能力至關(guān)重要。將這些接口以一種萬(wàn)用尺碼構(gòu)建在一個(gè)處理器芯片中會(huì)非常昂貴，而且浪費(fèi)時(shí)間，這還很冒險(xiǎn)。不同給定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要不同的接口，為不使用的功能支付額外費(fèi)用將限制芯片組的有效應(yīng)用市場(chǎng)。另外，隨著移動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展，新的要求層出不窮，以至于不得不花高價(jià)重新設(shè)計(jì)芯片組。因此，嵌入式處理器開發(fā)團(tuán)隊(duì)放慢了集成更多基本功能到芯片組中的速度，使處理器不能滿足移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)連接的需求。

可編程邏輯是一種顯而易見的解決方案。不過(guò)，便攜式電子產(chǎn)品的電池供電性能，及需要在同等空間集成更多功能而又不影響功耗的事實(shí)，為應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)制造了障礙。近來(lái)，可編程邏輯廠商已開始擴(kuò)展他們的涉及范圍，來(lái)滿足新便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。

怎樣才能滿足今天量產(chǎn)便攜式應(yīng)用的邏輯器件需求呢?五個(gè)關(guān)鍵因素導(dǎo)致可編程邏輯電路(PLD)一尤其是可重復(fù)編程FPGA一消耗功率過(guò)大：浪涌電流、配置相位，以及正常工作期間的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和閑置模式功耗。浪涌電流是器件上電后消耗的電流，配置相位電流對(duì)器件的初始化非常必要。因?yàn)槭撩胍陨系募虞d器件配置數(shù)據(jù)常常要消耗相當(dāng)大的電力，采用SRAM存儲(chǔ)器的可重復(fù)編程FPGA的配置，遠(yuǎn)不如采用立即上電邏輯技術(shù)的金屬對(duì)金屬互連的表現(xiàn)。靜態(tài)功耗是指時(shí)鐘輸入和I/O引腳沒(méi)有活動(dòng)時(shí)器件所消耗的電流。同樣，與金屬對(duì)金屬互連相比，保持器件配置數(shù)據(jù)需要大容量的寄存器，這就增加了可重復(fù)編程器件的功耗，經(jīng)常可以達(dá)到幾十甚至幾百毫安的靜態(tài)功耗值。

可重復(fù)編程器件在動(dòng)態(tài)功耗方面也不盡人意，反熔絲器件內(nèi)的金屬對(duì)金屬互連的電容要比可重復(fù)編程器件結(jié)構(gòu)內(nèi)的對(duì)等結(jié)構(gòu)低得多。這些連續(xù)充電和放電的寄生電容需要大量隨時(shí)鐘頻率而變化的動(dòng)態(tài)電流。

最后，經(jīng)常被忽略的閑置功耗是指當(dāng)I/O引腳處于活動(dòng)狀態(tài)，而器件內(nèi)的時(shí)鐘并不活躍時(shí)消耗的電流。這些因素共同影響著整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算，從電池運(yùn)行時(shí)間到外部元件，保證器件電源的可靠供應(yīng)是至關(guān)重要的。

針對(duì)這種情況，QuickLogic開發(fā)了一種新的可編程結(jié)構(gòu)架構(gòu)，也就是PolarPro。其中采用了一種專有的金屬對(duì)金屬Vialink互連技術(shù)(由于無(wú)需用來(lái)保持配置的存儲(chǔ)器，可以大幅削減靜態(tài)功耗；而與晶體管元件陣列相比，金屬對(duì)金屬工藝占用的電容非常低，還可以大幅度降低動(dòng)態(tài)功耗)；并且這種架構(gòu)上的創(chuàng)新還可以滿足待機(jī)功耗的要求。 一種專有的超低功耗(VLP)模式可以在待機(jī)時(shí)有效地將I/O端與邏輯核隔離開來(lái)，保持所有I/O、存儲(chǔ)器和寄存器的狀態(tài)。這對(duì)總線應(yīng)用非常有用一當(dāng)總線在正常操作時(shí)，在其設(shè)備需要之前，PolarPro器件只消耗掉可以忽略不計(jì)的功耗。最多300微秒，其VLP引腳變?yōu)榈蛻B(tài)，該結(jié)構(gòu)即進(jìn)AIO微安的待機(jī)模式，同時(shí)保持邏輯單元、I/O寄存器、輸出引腳值和存儲(chǔ)單元的所有存在狀態(tài)；另外，300微秒內(nèi)VLP即恢復(fù)為高態(tài)，重新開始正常工作。

只具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)并不充分

這樣的功耗靈敏度仍然不足以滿足一名移動(dòng)開發(fā)人員的所有需要。通常，這一領(lǐng)域的開發(fā)人員對(duì)可編程器件的成本和功耗非常敏感。編程的硬件開銷，以及這類元件的傳統(tǒng)定價(jià)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)使許多移動(dòng)開發(fā)人員對(duì)這些元件無(wú)法親近。當(dāng)然，一個(gè)移動(dòng)開發(fā)人員通常買不起可以通過(guò)可編程結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)大量功能的工具。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，QuickLogic開發(fā)了一個(gè)新型器件，并定義為CSSP或客戶專用標(biāo)準(zhǔn)元件。這種方法結(jié)合了硬邏輯設(shè)計(jì)的高度集成和性能，以及定制化和開發(fā)差異化產(chǎn)品所需的靈活性。

這種基礎(chǔ)硅平臺(tái)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、極其精密的元件。它包含一組可配置的硬邏輯核，可以滿足許多通用移動(dòng)設(shè)備開發(fā)人員的理想列表(可以提供當(dāng)前嵌入式處理器的本地接口無(wú)法實(shí)現(xiàn)的期待功能，比如，USB On-the-Go)，以及一些具有設(shè)計(jì)靈活性的可編程結(jié)構(gòu)。這種組合提供了實(shí)用的綜合可編程能力和理想的處理器擴(kuò)展一以一種緊湊且高功效的方式。CSSP方法的一個(gè)獨(dú)特之處是QuickLogic的技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以與OEM和ODM廠商密切合作制訂并實(shí)施平臺(tái)的定制化。

圖1所示為一個(gè)CSSP產(chǎn)品ArcticLink的實(shí)例，一個(gè)具有混合可編程結(jié)構(gòu)的器件，集合了一個(gè)USB控制器和物理層(PHY)，以及一個(gè)可配置存儲(chǔ)接口核。根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的需要，存儲(chǔ)核可以作為SD或MMC存儲(chǔ)卡控制器、受控NAND閃存控制器，或者作為CE-ATA主機(jī)控制一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器，這為開發(fā)人員設(shè)計(jì)存儲(chǔ)接口或差異化產(chǎn)品提供了多種選擇。

可編程結(jié)構(gòu)由功能多樣的驗(yàn)證功能庫(kù)支持，包括開發(fā)人員可以利用以實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特設(shè)計(jì)要求的處理器接口。

應(yīng)用實(shí)例：PMP

如圖2所示的便攜媒體播放器(PMP)，解釋了CSSP設(shè)計(jì)方法的靈活性。左圖顯示了該設(shè)計(jì)的原始電路結(jié)構(gòu)。右圖是采用了CSSP產(chǎn)品ArcticLink的同一個(gè)PMP。

ArcticLink通過(guò)其可編程結(jié)構(gòu)、硬連接USB OTG和存儲(chǔ)接口核節(jié)省了7個(gè)芯片：CPLD、USB PHY、四個(gè)電平轉(zhuǎn)換器和NOR閃存器件。可編程結(jié)構(gòu)可用來(lái)執(zhí)行連接移動(dòng)電視外設(shè)的MPEG傳送流(TS)。通過(guò)執(zhí)行一個(gè)“受控NAND”接口可以省去用于引導(dǎo)的NOR閃存，并通過(guò)“受控NAND”接口的軟硬件單元從受控NAND器件中實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)(同時(shí)可以提供一個(gè)與NAND廠商無(wú)關(guān)的接口)。CSSP還可以實(shí)現(xiàn)硬盤驅(qū)動(dòng)器引導(dǎo)。這些功能為批量制造商提供了開發(fā)低材料成本、高功效PMP的能力，不論是固態(tài)存儲(chǔ)器型號(hào)，還是高端型號(hào)硬盤都可以實(shí)現(xiàn)。

如上所述，設(shè)計(jì)靈活性對(duì)當(dāng)前許多便攜式產(chǎn)品的成功非常關(guān)鍵，如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)也值得我們?cè)诖擞懻撘幌隆rcticLink平臺(tái)的可編程資源也被稱為可定制構(gòu)建模塊或CBB，現(xiàn)在ArcticLink平臺(tái)具有20個(gè)這樣的模塊。這個(gè)應(yīng)用中需要的功能使用了八個(gè)CBB，還有12個(gè)可以用于其他用途。如果你考慮增加一個(gè)實(shí)用功能，比如從移動(dòng)電話傳送文件的藍(lán)牙鏈接，它可以支持無(wú)線耳機(jī)等應(yīng)用。最新的藍(lán)牙2.x設(shè)備采用3 Mbps的增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率(EDR)傳輸，但是集成在許多普遍應(yīng)用的嵌入式處理器中的UART無(wú)法支持這樣的數(shù)據(jù)速率。ArcticLink的功能庫(kù)包含了一個(gè)專為此集成的4 Mbps的UART。例如，如果該UART被用來(lái)與一個(gè)設(shè)備連接，比如，CSR的BlueCore5-FM設(shè)備(集成了藍(lán)牙、FM收音機(jī)調(diào)諧器和所需的4 Mbps UART)，那么PMP就可以具有標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙、藍(lán)牙、FM收音機(jī)或藍(lán)牙立體聲耳機(jī)的能力，這將提高產(chǎn)品的靈活性，并延長(zhǎng)市場(chǎng)占有時(shí)間。