基于FPGA的數字顯示系統設計

本文以Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為例，說明采用ＦＰＧＡ方案進行數字顯示系統設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統級芯片（ＳｏＣ）解決方案被譽為半導體業最重要的發展之一，目前，從數字手機和數字電視等消費類電子產品到高端通信ＬＡＮ／ＷＡＮ設備中，這一器件隨處可見。過去，為了創建此類嵌入式系統，設計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行選擇，而現在這些器件已合并為單一的ＳｏＣ解決方案。

ＳｏＣ面臨的挑戰

嵌入式系統ＳｏＣ可采用現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）或專用集成電路（ＡＳＩＣ）實現。開發新型ＳｏＣ器件需要解決的幾個關鍵問題包括：新的設計工具、先進的工藝技術及半導體ＩＰ。盡管在技術上十分先進，基于ＡＳＩＣ的ＳｏＣ產業仍然面臨著挑戰，甚至會因此難以完全發揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰：

１．系統復雜性不斷增加，因此更容易引起設計錯誤和產品延遲，而重新投片則會導致成本上升。

２．上市時間壓力更大。縮短上市時間面臨著許多內部及外部壓力要求，因為現在的設計方法仍然按照傳統ＡＳＩＣ時間進度實施。
３．產品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產品進行設計復用的要求更強了。
４．多種業界標準并存。各種新的業界標準不斷產生和更新，因此產品難以與業界標準的變化保持同步。
５．可用于不同產品的設計靈活性較差。
６．可重配置及現場升級性能缺乏。

現在，基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ可以解決以前基于ＡＳＩＣ的ＳｏＣ無法完成的任務和挑戰，如現場升級、減少產品上市時間、滿足不斷出現和更新的標準要求。基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ設計可用于多種場合，其中從ＡＳＩＣ向ＦＰＧＡ轉型中受益最多的應用包括：

１．通信及網絡：網絡及無線基礎設施。
２．數據處理：服務器及存儲設備。
３．消費類電子產品：數字機頂盒、數字電視和個人攝像機。

ＡＳＩＣ在器件成本、尺寸和性能上頗具優勢；而ＦＰＧＡ則在上市時間、建模時間及升級能力上稍勝一籌，這些是權衡設計中ＦＰＧＡ和ＡＳＩＣ取舍的基本依據。與ＡＳＩＣ相比，ＦＰＧＡ最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內部互聯來實現編程。由于ＡＳＩＣ所用的晶體管數較少，因此就這一方面而言，ＡＳＩＣ的器件成本通常比ＦＰＧＡ要低。不過，根據摩爾定律所述，ＦＰＧＡ和ＡＳＩＣ在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。如圖１所示，芯片內連技術，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，在計算基于ＡＳＩＣ或ＦＰＧＡ的ＳｏＣ成本時，除了生產成本外，設計開發所需的時間和經費也是一項重要的考慮因素。

Ｘｉｌｉｎｘ的可編程邏輯器件的發展過程。ＦＰＧＡ最初僅提供簡單的邏輯解決方案組合，然后發展為ＰｌａｔｆｏｒｍｓＦＰＧＡ，在功能及總成本上均為系統結構設計工程師提供了極大價值。現在，從網絡設備到高端消費類器件，ＦＰＧＡ均開始了大批量生產。下面以ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ方案為例，說明基于ＦＰＧＡ的ＳｏＣ方案的特點。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ解決方案

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ是高性能的ＳｏＣ解決方案，下面對其特點進行概要介紹。

Ａ．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ模型

以因特網、無線、全球化及個人通信為代表的信息化時代要求設備生產商在標準通信系統中增加數據率及通道數，以支持視頻流、音頻流及數據流。ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ為生產商提供了所需的系統靈活性、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控制、用于客戶訂制數據濾波及并行處理的ＤＳＰ內核以及用于系統高速數據通信的吉比特串行及源同步Ｉ／Ｏ口。

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

Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ器件及其擴展器件所提供的ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ功能可解決系統級設計中面臨的信號完整性、復雜系統時鐘管理及板上ＥＭＩ管理等問題。

Ｂ．ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的軟硬內核

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內核，同時硬件和固件可隨時升級。ＦＰＧＡ架構的可編程性縮短了系統開發時間，單個ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ就可滿足多種應用需要。此外，它還提供了軟硬件協同設計的靈活性，設計工程師可在開發周期內便進行系統優化。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ采用了ＩＰ插入和有源內連技術。采用ＩＰ插入技術可將任何大小或形狀的軟硬ＩＰ內核無縫地插入到ＦＰＧＡ架構中任何部分，并保持與周圍陣列極佳的連通性。而有源內連技術則提供了有源的布線通道，使得軟硬ＩＰ內核無論位于陣列何處均可保持穩定、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，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解決方案中結合了嵌入式乘法器和增強的算術功能，具有超過０．５Ｔ－ＭＡＣ／ｓ的ＸｔｒｅｍｅＤＳＰ功能，比業界最先進的嵌入式ＤＳＰ處理器內核快１００倍以上。將Ｘｉｌｉｎｘ的系統生成器與ＭａｔｈＷｏｒｋ的ＭＡＴＬＡＢ及Ｓｉｍｕｌｉｎｋ相結合，可為系統和ＤＳＰ設計工程師提供了一套他們熟悉的、完整的設計工具。
此外，ＳｙｓｔｅｍＩＯ充分解決了高性能設計中各式各樣的系統互聯問題，包括物理接口和協議，以提供更高的帶寬。為了使ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ能夠支持最快的通信標準，如１０Ｇ以太網、ＯＣ－１９２、Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ和ＸＡＵＩ接口標準，Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列ＦＰＧＡ中集成了速度高達吉比特的串行收發器。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準，其中包括ＲａｐｉｄＩＯ、ＬＤＴ、ＳＰＩ４、ＰＣＩ６６、ＰＣＩ、ＦｌｅｘＢｕｓ４及ＰＯＳ－ＰＨＹ４并行總線。

ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡＳｏＣ應用實例

一個基于ＰｌａｔｆｏｒｍＦＰＧＡ的ＳｏＣ數字顯示應用實例。數字視頻設計中一個需要解決的關鍵問題是在同一塊電路板上實現不同元件之間以及不同產品間的接口問題。ＵＳＢ２．０、ＩＥＥＥ１３９４和ＰＣＩ可實現高速接口，而ＦＰＧＡ則提供了一種理想平臺，為不同的技術提供接口及協議轉換。

一般來說，數字視頻技術的基礎在于數字圖像處理。本方案中，ＦＰＧＡ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現數字圖像處理。ＦＰＧＡ為數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換功能、ＭＰＥＧ塊、轉換率控制及Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ和維特比解碼器等模塊。

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

小結

現在的ＦＰＧＡ是一種快速有效的開發平臺，可加快開發周期，原因在于其擁有靈活的架構、先進的處理技術、強有力的軟件綜合技術及豐富的ＩＰ庫，可提供最完整的系統集成解決方案。