利用FPGA解決手持設備MPU功耗問題

　　為應對上述挑戰，越來越多的設計人員開始使用FPGA進行手持產品的開發。FPGA的功能日益強大和豐富，而門數、面積和頻率也在不斷增加。FPGA的開發和周轉時間要比定制ASIC短得多，可重復編程的額外優勢使得FPGA成為手持嵌入式系統領域中頗具吸引力的解決方案。在基于ASIC或FPGA的設計中，設計人員必須認真考慮某些性能標準，他們面臨的挑戰主要體現在面積、速度和功耗方面。

　　與ASIC一樣，供應商在FPGA設計中也需要應對面積和速度的挑戰。隨著門數不斷增加，FPGA需要更大的面積和尺寸來適應更多的應用，設計工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面積。不斷演進的FPGA技術也給設計人員帶來一系列新的挑戰，電源利用率就是其中之一，這對于為手持或便攜式設備設計基于FPGA的嵌入式系統來說是急需解決的問題。

　　嵌入式系統中的FPGA

　　典型的嵌入式系統由處理器、存儲器、包括USB、SPI、I2C在內的標準接口以及液晶顯示器、音頻輸出等外設組成。設備的核心仍是處理器和處理器接口，它們通過板載連線連接到各個外設。系統性能主要取決于處理器性能，而處理器通常具有非常標準的架構，因而不容易定制。

　　有時處理器可能忙于處理來自低速外設的信息，雖然在這種情況下處理器使用率可能達到100%，但并不是在做以微處理器為中心的事務，而是工作在特別低的性能水平。不管其內核頻率是多少，微處理器必須等待來自低速時鐘的數據。這也會導致較高的功耗，因為處理器的利用率是100%。其結果將縮短電池壽命，并且需要更大的散熱器或風扇進行冷卻，最終影響整個系統的可靠性。

　　于是，FPGA在這方面開始發揮重要作用，因為它們能從處理器卸載許多外設交互任務。如圖1所示，利用標準千兆TCP/IP網絡實現的未壓縮音視頻數據流的嵌入式分布系統。它有一個專用DSP處理器，這個處理器通過一個標準總線接口與賽靈思的FPGA相接，FPGA再連接到各個低速外設。

　　圖1：用于音頻/視頻分布系統的FPGA架構。

　　作為啟動開發套件，這個FPGA通過I2S接口連接12位的PCM音頻輸入和12位的PCM音頻輸出；它還連接視頻編碼器和解碼器，并與I2C從器件和RS232器件進行通信；連接到FPGA的通用I/O很少。與處理器相連的標準總線工作在高速的66MHz，而音頻外設工作在低速的1.182MHz；UART和I2C串行接口分別工作在56.6kHz和100kHz。由于數據傳輸發生在多個時鐘域，因而只有處理器能配置數據流。

　　在這種情況下，處理器不再與低速外設交互，而由FPGA從低速的PCM ADC音頻器件讀取數據，并將數據存放在FPGA的內部緩存中。處理器可以周期性地從這個緩存讀取數據，或者當緩存中有足夠數據時，由FPGA向處理器發送一個中斷。這樣，處理器就有更多的時間執行以處理器為中心的必要工作，在空閑時則進入睡眠模式。