如何采用FPGA方案實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)級芯片(SoC)解決方案被譽(yù)為半導(dǎo)體業(yè)最重要的發(fā)展之一，目前，從數(shù)字手機(jī)和數(shù)字電視等消費(fèi)類電子產(chǎn)品到高端通信LAN/WAN設(shè)備中，這一器件隨處可見。過去，為了創(chuàng)建此類嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲器等三種硬件中進(jìn)行選擇，而現(xiàn)在這些器件已合并為單一的SoC解決方案。

SoC面臨的挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)SoC可采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)實(shí)現(xiàn)。開發(fā)新型SoC器件需要解決的幾個關(guān)鍵問題包括：新的設(shè)計(jì)工具、先進(jìn)的工藝技術(shù)及半導(dǎo)體IP。盡管在技術(shù)上十分先進(jìn)，基于ASIC的SoC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至?xí)虼穗y以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰(zhàn)：

1.系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，因此更容易引起設(shè)計(jì)錯誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會導(dǎo)致成本上升。

2.上市時間壓力更大?？s短上市時間面臨著許多內(nèi)部及外部壓力要求，因?yàn)楝F(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法仍然按照傳統(tǒng)ASIC時間進(jìn)度實(shí)施。

3.產(chǎn)品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)用的要求更強(qiáng)了。

4.多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)并存。各種新的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)不斷產(chǎn)生和更新，因此產(chǎn)品難以與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的變化保持同步。

5.可用于不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)靈活性較差。

6.可重配置及現(xiàn)場升級性能缺乏。

現(xiàn)在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于ASIC的SoC無法完成的任務(wù)和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場升級、減少產(chǎn)品上市時間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標(biāo)準(zhǔn)要求。基于FPGA的SoC設(shè)計(jì)可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉(zhuǎn)型中受益最多的應(yīng)用包括：

1.通信及網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)及無線基礎(chǔ)設(shè)施。

2.數(shù)據(jù)處理：服務(wù)器及存儲設(shè)備。

3.消費(fèi)類電子產(chǎn)品：數(shù)字機(jī)頂盒、數(shù)字電視和個人攝像機(jī)。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢;而FPGA則在上市時間、建模時間及升級能力上稍勝一籌，這些是權(quán)衡設(shè)計(jì)中FPGA和ASIC取舍的基本依據(jù)。與ASIC相比，F(xiàn)PGA最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內(nèi)部互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)編程。由于ASIC所用的晶體管數(shù)較少，因此就這一方面而言，ASIC的器件成本通常比FPGA要低。不過，根據(jù)摩爾定律所述，F(xiàn)PGA和ASIC在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。

芯片內(nèi)連技術(shù)，如采用更多金屬層及銅連線，有助于縮小FPGA和ASIC之間的成本、密度及性能差距。此外，在計(jì)算基于ASIC或FPGA的SoC成本時，除了生產(chǎn)成本外，設(shè)計(jì)開發(fā)所需的時間和經(jīng)費(fèi)也是一項(xiàng)重要的考慮因素。

Xilinx的可編程邏輯器件的發(fā)展過程。FPGA最初僅提供簡單的邏輯解決方案組合，然后發(fā)展為PlatformsFPGA，在功能及總成本上均為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提供了極大價值。現(xiàn)在，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到高端消費(fèi)類器件，F(xiàn)PGA均開始了大批量生產(chǎn)。下面以PlatformFPGA方案為例，說明基于FPGA的SoC方案的特點(diǎn)。

PlatformFPGA解決方案

PlatformFPGA是高性能的SoC解決方案，下面對其特點(diǎn)進(jìn)行概要介紹。

A.PlatformFPGA模型

以因特網(wǎng)、無線、全球化及個人通信為代表的信息化時代要求設(shè)備生產(chǎn)商在標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)中增加數(shù)據(jù)率及通道數(shù)，以支持視頻流、音頻流及數(shù)據(jù)流。PlatformFPGA為生產(chǎn)商提供了所需的系統(tǒng)靈活性、上市時間并可支持高帶寬要求。此外，PlatformFPGA提供了用于嵌入式處理器的系統(tǒng)控制、用于客戶訂制數(shù)據(jù)濾波及并行處理的DSP內(nèi)核以及用于系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)通信的吉比特串行及源同步I/O口。

Virtex-II系統(tǒng)門密度為4萬到800萬不等，可提供嵌入式系統(tǒng)存儲器。由于這種高密度片上存儲器可提供快速高效的FIFO緩沖區(qū)、移位寄存器及CAM，因此增加了整體系統(tǒng)帶寬。嵌入式RAM模塊及高速存儲接口為帶寬要求很高的系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的、基于存儲器的數(shù)據(jù)通道。

Virtex-II器件及其擴(kuò)展器件所提供的PlatformFPGA功能可解決系統(tǒng)級設(shè)計(jì)中面臨的信號完整性、復(fù)雜系統(tǒng)時鐘管理及板上EMI管理等問題。

B.PlatformFPGA的軟硬內(nèi)核

PlatformFPGA是一種靈活的解決方案，它在單芯片上集成了一系列軟硬IP內(nèi)核，同時硬件和固件可隨時升級。FPGA架構(gòu)的可編程性縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，單個PlatformFPGA就可滿足多種應(yīng)用需要。此外，它還提供了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)工程師可在開發(fā)周期內(nèi)便進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

PlatformFPGA采用了IP插入和有源內(nèi)連技術(shù)。采用IP插入技術(shù)可將任何大小或形狀的軟硬IP內(nèi)核無縫地插入到FPGA架構(gòu)中任何部分，并保持與周圍陣列極佳的連通性。而有源內(nèi)連技術(shù)則提供了有源的布線通道，使得軟硬IP內(nèi)核無論位于陣列何處均可保持穩(wěn)定、高效的性能。

處理器的性能

用于PlatformFPGA的EmPower!解決方案為嵌入式處理器提供了最高性能的可編程系統(tǒng)，同時還可自由選擇客戶訂制的解決方案。它所采用的嵌入式PowerPC405微處理器內(nèi)核工作頻率為300MHz，可提供超過420MIP的性能。此外，Virtex-II器件上的MicroBlaze軟處理器內(nèi)核是32位RISC處理器，工作頻率為125MHz，可提供82MIP的性能。

Virtex-II解決方案中結(jié)合了嵌入式乘法器和增強(qiáng)的算術(shù)功能，具有超過0.5T-MAC/s的XtremeDSP功能，比業(yè)界最先進(jìn)的嵌入式DSP處理器內(nèi)核快100倍以上。將Xilinx的系統(tǒng)生成器與MathWork的MATLAB及Simulink相結(jié)合，可為系統(tǒng)和DSP設(shè)計(jì)工程師提供了一套他們熟悉的、完整的設(shè)計(jì)工具。

此外，SystemIO充分解決了高性能設(shè)計(jì)中各式各樣的系統(tǒng)互聯(lián)問題，包括物理接口和協(xié)議，以提供更高的帶寬。為了使PlatformFPGA能夠支持最快的通信標(biāo)準(zhǔn)，如10G以太網(wǎng)、OC-192、Infiniband和XAUI接口標(biāo)準(zhǔn)，Virtex-II系列FPGA中集成了速度高達(dá)吉比特的串行收發(fā)器。SystemIO接口提供了最為靈活的解決方案來兼容一些新興的接口標(biāo)準(zhǔn)，其中包括RapidIO、LDT、SPI4、PCI66、PCI、FlexBus4及POS-PHY4并行總線。

PlatformFPGASoC應(yīng)用實(shí)例

一個基于PlatformFPGA的SoC數(shù)字顯示應(yīng)用實(shí)例。數(shù)字視頻設(shè)計(jì)中一個需要解決的關(guān)鍵問題是在同一塊電路板上實(shí)現(xiàn)不同元件之間以及不同產(chǎn)品間的接口問題。USB2.0、IEEE1394和PCI可實(shí)現(xiàn)高速接口，而FPGA則提供了一種理想平臺，為不同的技術(shù)提供接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換。

一般來說，數(shù)字視頻技術(shù)的基礎(chǔ)在于數(shù)字圖像處理。本方案中，F(xiàn)PGA可提供性能卓越的DSP處理能力，因此可以通過可編程邏輯來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理。FPGA為數(shù)字視頻流的編解碼提供了一種有效的解決方案，并廣泛用于色彩空間轉(zhuǎn)換功能、MPEG塊、轉(zhuǎn)換率控制及Reed-Solomon和維特比解碼器等模塊。

顯示驅(qū)動電路采用FPGA則易于編程，可用來控制顯示所需的復(fù)雜時序信號，同時還可靈活地實(shí)現(xiàn)支持不同顯示元件的多種版本。

小結(jié)

現(xiàn)在的FPGA是一種快速有效的開發(fā)平臺，可加快開發(fā)周期，原因在于其擁有靈活的架構(gòu)、先進(jìn)的處理技術(shù)、強(qiáng)有力的軟件綜合技術(shù)及豐富的IP庫，可提供最完整的系統(tǒng)集成解決方案。

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