FPGA在可穿戴計算機領域的應用

張昆

（北方自動控制技術研究所 030006）

FPGA在可穿戴計算機領域的應用

張昆

（北方自動控制技術研究所 030006）

伴隨著科技的進步以及人們的需求，可穿戴計算機正進入蓬勃發展的機遇期。本文在分析了可穿戴計算機組成的基礎上，結合可穿戴計算機目前使用的一些技術以及FPGA設計技術的特殊性，闡述了FPGA在可穿戴計算機領域的應用前景。

可穿戴計算機；FPGA；應用

1 可穿戴計算機特點及組成

可穿戴計算機目前仍沒有確切的定義。加拿大多倫多大學的史蒂夫曼恩教授在1998年國際可穿戴計算機會議上曾給出過一個相對完整的定義：可穿戴計算機是指包容于用戶個人空間，為用戶所控制，同時具有持續操作、持續交互的計算機。這種計算機應具備動態性、自主性、可控性、持續性及模塊化等基本特征。

可穿戴計算機一般由主機子系統、顯示子系統、通信子系統、輸入輸出子系統、電源子系統和支撐子系統[1]構成，如圖1所示。

圖1 可穿戴計算機組成圖

可穿戴計算機與使用者相互依存，長時間佩戴于使用者身上，不斷與使用者之間進行人機交互，這對可穿戴計算機的體積和重量以及可穿戴計算機的工作時間都提出了較高的要求。處于對體積和重量的考慮，可穿戴計算機應盡可能采用單一的總線結構降低硬件系統的復雜性，簡化系統結構，以減小系統的體積和重量。同時，為了保障可穿戴計算機的工作時間，在系統設計時，應盡可能降低系統的功耗，同時提高電源子系統的容量和性能。

2 FPGA簡介

FPGA是一種硬件可編程的器件，其作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的。FPGA解決了解決定制電路的不夠靈活的缺點，又克服了PLD等門電路數有限的缺點。它體系結構簡單、邏輯單元靈活、集成度高且適用范圍廣。FPGA采用硬件描述語言實現內部邏輯設計，可實現較大規模的電路，能完成多種不同的數字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74系列電路。進入21世紀，深亞微米工藝和架構的發展有力推動了FPGA性能和通用性的增強，并且顯著降低了成本和功耗。目前FPGA具有的這些種種特殊之處使得它能夠在可穿戴電子設備中發揮多種作用。

3 FPGA在可穿戴計算機中的應用

3.1 FPGA實現嵌入式微處理器

可穿戴計算機是特定專用的計算機，其特點決定了它的微處理器要求的特殊性。FPGA具有高度的可編程性和靈活性，可以實現不同的、性能各異的、滿足用戶需求的嵌入式微處理器。國際上主要的FPGA廠商都進行了CPU核的設計，用于FPGA中，如Xilinx提供的microblazecpu核和Altera提供的niosII cpu核。另外，目前有各種研究采用FPGA進行微處理器的設計。

在FPGA設計之初，FPGA成本較高，常被作為產品的初代設計進行產品功能的驗證，或者作為小批量產品的原型設計工具。當今FPGA制造成本已經降低，它仍然可以實現它最初的功能。只不過，它可以不再只作為初代設計工具，而是在產品中大規模使用。

3.2 FPGA作為協處理器

隨著可穿戴計算機越來越普遍，IC廠商也推出了許多種應用于可穿戴領域的微處理器。這些處理器在功能上和性能上都有其獨特之處，許多可穿戴設備制造商寧愿采用現成的微處理器而不愿或不能親自去設計。這些微處理器具有強大的計算能力來管理外部傳感器。但是，使用這些微處理器來實現外設的管理會浪費寶貴的I/O資源，而且一般會要求處理器長時間處于工作狀態，這種做法無疑會增大可穿戴計算機的功耗。

FPGA具有靈活配置的功能，可以實現外設管理功能并可以實現多種不同的接口。這樣，FPGA就可以連接不同外設，接受外部數據，并在沒有處理器干預的情況下實現對這些外設的管理。FPGA作為協處理器功能能夠減輕應用處理器的工作負擔，提升系統性能，降低系統功耗。

具體來說，FPGA是如何作為協處理器來減輕處理器負擔的？當某一個外設在很短的時間內產生大量的中斷給應用處理器，而處理器又來不及處理時，或者當系統中帶有多個外設，它們在很短時間內產生大量中斷，嚴重影響處理器性能時，通過FPGA對這些中斷進行存儲和管理，按照優先級將中斷依次傳送給處理器，減輕處理器的負擔，提升系統性能。

3.3 FPGA實現接口擴展及轉換功能

在進行可穿戴計算機設計時，會采用各種不同類型的傳感器或其他外設，以使計算機具備更多的功能，更能滿足消費者的需求。但是這些傳感器或外設接口可能復雜多樣，接口電壓也是參差不齊。在處理這些傳感器接口時，處理器本身就會具有許多限制。

FPGA具有完全可配置的功能，另外FPGA廠商還會提供多種不同的標準的IP核應用于FPGA。這些現有的基本的資源可以降低設計的難度、縮短設備的開發時間，增強產品的競爭力。同時，最為關鍵的是，處理器可以通過FPGA實現與各種不同的傳感器及其他外設的連接，不會出現接口不對應的問題，更不需要使用復雜的轉換芯片去實現橋接功能。

3.4 上電情況及上電時序控制

可穿戴計算機可能工作在待機模式或者正常工作模式。在這兩種模式下，可穿戴計算機的供電情況是不一樣的。另外，對于微處理器而言，一般在上電時，會對上電時序有要求。采用FPGA實現控制邏輯，可以容易而且合理的實現可穿戴計算機的電源上電情況及上電時序控制，實現電源的合理管理，降低整個穿戴計算機系統的功耗。

4 結束語

本文針對可穿戴計算機的這些特殊之處做了較為詳細地介紹，并就這些特殊性探討了FPGA在可穿戴計算機領域的應用。FPGA憑借其靈活的可編程性能，在可穿戴計算機的微處理器、協處理器、外設接口功能實現及電源管理等方面都可以發揮不可限量的作用。

[1]蒲旺，黎桂岑，黃志奇.可穿戴計算機硬件結構研究[J].電子科技大學學報，2010，39.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設計技術發展綜述[J].電子與信息學報，2010，32.

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1004-7344（2016）10-0285-01

2016-3-15