FPGA在可穿戴計算機領(lǐng)域的應(yīng)用

張昆

（北方自動控制技術(shù)研究所 030006）

FPGA在可穿戴計算機領(lǐng)域的應(yīng)用

張昆

（北方自動控制技術(shù)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(fā)展的機遇期。本文在分析了可穿戴計算機組成的基礎(chǔ)上，結(jié)合可穿戴計算機目前使用的一些技術(shù)以及FPGA設(shè)計技術(shù)的特殊性，闡述了FPGA在可穿戴計算機領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

可穿戴計算機；FPGA；應(yīng)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(xué)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(xù)操作、持續(xù)交互的計算機。這種計算機應(yīng)具備動態(tài)性、自主性、可控性、持續(xù)性及模塊化等基本特征。

可穿戴計算機一般由主機子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、輸入輸出子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和支撐子系統(tǒng)[1]構(gòu)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(yīng)盡可能采用單一的總線結(jié)構(gòu)降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以減小系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡可能降低系統(tǒng)的功耗，同時提高電源子系統(tǒng)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(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點。它體系結(jié)構(gòu)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(xiàn)內(nèi)部邏輯設(shè)計，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，能完成多種不同的數(shù)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(gòu)的發(fā)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(shè)備中發(fā)揮多種作用。

3 FPGA在可穿戴計算機中的應(yīng)用

3.1 FPGA實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)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(shè)計。

在FPGA設(shè)計之初，F(xiàn)PGA成本較高，常被作為產(chǎn)品的初代設(shè)計進行產(chǎn)品功能的驗證，或者作為小批量產(chǎn)品的原型設(shè)計工具。當(dāng)今FPGA制造成本已經(jīng)降低，它仍然可以實現(xiàn)它最初的功能。只不過，它可以不再只作為初代設(shè)計工具，而是在產(chǎn)品中大規(guī)模使用。

3.2 FPGA作為協(xié)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(yīng)用于可穿戴領(lǐng)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(shè)備制造商寧愿采用現(xiàn)成的微處理器而不愿或不能親自去設(shè)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(xiàn)外設(shè)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(tài)，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(xiàn)外設(shè)管理功能并可以實現(xiàn)多種不同的接口。這樣，F(xiàn)PGA就可以連接不同外設(shè)，接受外部數(shù)據(jù)，并在沒有處理器干預(yù)的情況下實現(xiàn)對這些外設(shè)的管理。FPGA作為協(xié)處理器功能能夠減輕應(yīng)用處理器的工作負擔(dān)，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗。

具體來說，F(xiàn)PGA是如何作為協(xié)處理器來減輕處理器負擔(dān)的？當(dāng)某一個外設(shè)在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的中斷給應(yīng)用處理器，而處理器又來不及處理時，或者當(dāng)系統(tǒng)中帶有多個外設(shè)，它們在很短時間內(nèi)產(chǎn)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(yōu)先級將中斷依次傳送給處理器，減輕處理器的負擔(dān)，提升系統(tǒng)性能。

3.3 FPGA實現(xiàn)接口擴展及轉(zhuǎn)換功能

在進行可穿戴計算機設(shè)計時，會采用各種不同類型的傳感器或其他外設(shè)，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(shè)接口可能復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的IP核應(yīng)用于FPGA。這些現(xiàn)有的基本的資源可以降低設(shè)計的難度、縮短設(shè)備的開發(fā)時間，增強產(chǎn)品的競爭力。同時，最為關(guān)鍵的是，處理器可以通過FPGA實現(xiàn)與各種不同的傳感器及其他外設(shè)的連接，不會出現(xiàn)接口不對應(yīng)的問題，更不需要使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)換芯片去實現(xiàn)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(xiàn)控制邏輯，可以容易而且合理的實現(xiàn)可穿戴計算機的電源上電情況及上電時序控制，實現(xiàn)電源的合理管理，降低整個穿戴計算機系統(tǒng)的功耗。

4 結(jié)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(lǐng)域的應(yīng)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(xié)處理器、外設(shè)接口功能實現(xiàn)及電源管理等方面都可以發(fā)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(jié)構(gòu)研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2010，39.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設(shè)計技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報，2010，32.

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1004-7344（2016）10-0285-01

2016-3-15