基于FPGA的嵌入式SoC數(shù)字顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)級(jí)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(jiàn)。過(guò)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(chǔ)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(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)新型SoC器件需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)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(cuò)誤和產(chǎn)品延遲，而重新投片則會(huì)導(dǎo)致成本上升。

2.上市時(shí)間壓力更大?？s短上市時(shí)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(shí)間進(jìn)度實(shí)施。

3.產(chǎn)品生命周期更短，對(duì)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(chǎng)升級(jí)性能缺乏。

現(xiàn)在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于ASIC的SoC無(wú)法完成的任務(wù)和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)、減少產(chǎn)品上市時(shí)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(chǎng)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施。

2.數(shù)據(jù)處理：服務(wù)器及存儲(chǔ)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(gè)人攝像機(jī)。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優(yōu)勢(shì);而FPGA則在上市時(shí)間、建模時(shí)間及升級(jí)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(lái)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(guò)，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。如圖1所示，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(shí)，除了生產(chǎn)成本外，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所需的時(shí)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(guò)程。FPGA最初僅提供簡(jiǎn)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(jià)值?，F(xiàn)在，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到高端消費(fèi)類器件，F(xiàn)PGA均開(kāi)始了大批量生產(chǎn)。下面以PlatformFPGA方案為例，說(shuō)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(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行概要介紹。

A.PlatformFPGA模型
以因特網(wǎng)、無(wú)線、全球化及個(gè)人通信為代表的信息化時(shí)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(shí)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(mén)密度為4萬(wàn)到800萬(wàn)不等，可提供嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器。由于這種高密度片上存儲(chǔ)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(chǔ)接口為帶寬要求很高的系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的、基于存儲(chǔ)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(jí)設(shè)計(jì)中面臨的信號(hào)完整性、復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)鐘管理及板上EMI管理等問(wèn)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(shí)硬件和固件可隨時(shí)升級(jí)。FPGA架構(gòu)的可編程性縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，單個(gè)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(kāi)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(wú)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(wú)論位于陣列何處均可保持穩(wěn)定、高效的性能。