為了保持“聯(lián)系和聯(lián)絡(luò)”，消費(fèi)者越來越多地依賴于他們的便攜式設(shè)備，其范圍包括了從智能手機(jī)、個人媒體播放器與數(shù)碼相機(jī)到新興的解決方案，例如筆記本電腦等。目前的手持設(shè)備可為多種應(yīng)用服務(wù)，并提供了各種不同的功能，這轉(zhuǎn)而依賴于終端應(yīng)用的大容量存儲，眾多的功能以及技術(shù)挑戰(zhàn)。

與此同時，便攜式設(shè)計師承受著不斷增加的成本和產(chǎn)品上市時間的壓力，在價格敏感的消費(fèi)市場中努力提供著新的功能并緊跟上快速變化的標(biāo)準(zhǔn)。問題的復(fù)雜化進(jìn)一步要求在不犧牲電池壽命前提下，提供所有這些功能。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）歷來被認(rèn)為是將設(shè)計推向市場的最佳途徑。然而，由于功耗及成本的考量，該技術(shù)的應(yīng)用范圍已不僅限于原型設(shè)計。

然而，在過去的幾年里，設(shè)計進(jìn)步已經(jīng)推動FPGA轉(zhuǎn)向高容量便攜式設(shè)備的設(shè)計。此外，新興的解決方案正幫助設(shè)計師降低成本，并增加電池的壽命。舉例來說，基于Flash的FPGA解決方案，消除了與基于SRAM解決方案有關(guān)的大功耗配置存儲器和泄漏電流。

FPGA的靜態(tài)功耗低至5mW，并且有效/動態(tài)功耗低至25mW，其功耗可與定制ASIC和專用處理器相匹敵。此外，其內(nèi)部可編程性使得設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)基于平臺的設(shè)計。這讓OEM廠商的工作從單一的基礎(chǔ)平臺和增加或去除某些特性轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足多種價值點(diǎn)。這一能力有效利用了覆蓋多個產(chǎn)品型號的硬件和軟件設(shè)計成本，為便攜式產(chǎn)品設(shè)計師產(chǎn)生了更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

便攜式存儲的現(xiàn)狀

目前，便攜設(shè)備中越來越多的數(shù)字內(nèi)容，增加了對更大存儲能力的需求。因此，便攜式存儲可能會占用電子設(shè)備中大部份的功耗。

從硬盤驅(qū)動器（HDD）到閃存設(shè)備，便攜式儲存應(yīng)用可以利用FPGA來降低成本，提高靈活性并延長電池的壽命。用于運(yùn)行操作系統(tǒng)（OS）和應(yīng)用軟件的應(yīng)用處理器已經(jīng)預(yù)定義了接口，通常難以適應(yīng)瞬息萬變的市場需求。

因此，在關(guān)鍵領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA可提供更多想要的靈活性，這包括了存儲器、處理器橋和控制器，以及連接接口。在這些應(yīng)用中，基于Flash的FPGA可以降低功耗，并同時支持多種存儲器接口標(biāo)準(zhǔn)。

各種存儲解決方案，大致可以分類為閃存器件和HDD，其可以用于目前不斷增長的大量電子設(shè)備中。便攜式產(chǎn)品需要高存儲容量的HDD解決方案，例如視頻錄像機(jī)和攝像機(jī)，將采用這兩種控制器中的一種。前者是一種集成器件電子（IDE）控制器，基于并行或串行ATA標(biāo)準(zhǔn)。后者是消費(fèi)電子ATA（CE-ATA）控制器，這是一種小形狀系數(shù)設(shè)備的共同標(biāo)準(zhǔn)，例如便攜式媒體播放器和手持設(shè)備等。

閃存的使用也有所擴(kuò)大，從而產(chǎn)生了另一套存儲接口。多種存儲卡格式，如安全數(shù)字（SD）和超小與可移動緊湊式閃存卡（CF）解決方案，與NAND閃存控制器一起是用于閃存市場的主要接口。

手持設(shè)備可以使用這些接口的組合或者只需要用于某個特定應(yīng)用的一種接口。無論哪種方式，半導(dǎo)體解決方案必須提供可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量接口選擇的靈活性。

應(yīng)用處理器傳統(tǒng)上對某些選定的存儲接口提供支持。但是，手持設(shè)備設(shè)計的新趨勢是將應(yīng)用處理器與超低功耗FPGA進(jìn)行配對，采用FPGA來提供橋接功能，并擴(kuò)大處理器的存儲接口支持（圖1）。

存儲器的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)存儲系統(tǒng)時，最重要的是要極為關(guān)注基本架構(gòu)的選擇。首先，將采用哪種處理器？在競爭激烈的便攜產(chǎn)品市場，通常有幾個領(lǐng)先的候選處理器，設(shè)計師的選擇通常受到多種因素的影響，從技術(shù)要求，例如性能、尺寸和功率分布，到過去采用特定處理器的設(shè)計經(jīng)驗。

因此，設(shè)計師必須仔細(xì)評估其設(shè)計目標(biāo)。該設(shè)計是不是依靠先前的架構(gòu)，因此要求向下兼容？這樣一來，工程師是否可以靈活選擇他們所采用的最有經(jīng)驗的處理器？設(shè)計是否要求低功耗？當(dāng)然，在便攜式應(yīng)用中，處理器的功耗和效率將成為這一決定的關(guān)鍵因素。

決定的作出還與存儲器架構(gòu)有關(guān)。主處理器上有哪些接口？某些存儲項目的存取比其他項目更頻繁嗎？如果存取頻率有差異，雙重系統(tǒng)可能是最佳的。該應(yīng)用是否需要快速存取存儲器來滿足應(yīng)用的需要？如果是的話，可能需要專用的存儲器控制器。該系統(tǒng)是否需要識別所配的存儲器類型，并且與回掃的接口標(biāo)準(zhǔn)相匹配？其次，需要外部可適應(yīng)控制器來實(shí)現(xiàn)這一功能。

通常，終端應(yīng)用的設(shè)計要求影響處理器的選擇，而并非特定處理器所支持的存儲接口。存儲器的選擇也將受到終端應(yīng)用需求的影響。因此，在處理器和存儲器之間，接口的選擇可能有幾十至幾百種。

在進(jìn)一步研發(fā)之前，設(shè)計師可能需要測試幾種不同的存儲方案來實(shí)現(xiàn)概念驗證。對處理器到最佳存儲器解決方案的可能接口進(jìn)行匹配時，采用FPGA作為接口解決方案，提供了徹底的靈活性。

選擇存儲接口平臺

存儲實(shí)現(xiàn)中的下一步就是處理器和應(yīng)用的依賴性。大多數(shù)處理器廠商在存儲空間中提供了充分的開發(fā)平臺，以方便使用他們的專用處理器平臺。每個處理器開發(fā)板也伴有一套標(biāo)準(zhǔn)接口，但這些接口可能與所選定的存儲技術(shù)的要求并不匹配。

處理器開發(fā)板應(yīng)該有一個標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展頭，專門設(shè)計用來開發(fā)子插件板，其支持更多的外圍設(shè)備，以及對相同處理器的多種存儲協(xié)議進(jìn)行評價。以選定的主板為原型，選擇存儲接口而不必購買多個子插件板時，具備板載FPGA的子插件板更具靈活性。

FPGA在處理器擴(kuò)展卡上可采用以下兩種方式之一。第一種方法是通過增加額外的存儲器插槽擴(kuò)展對原有外設(shè)的支持，該插槽還兼容處理器上已有的插槽。第二種方法是能夠提供非原有外設(shè)的支持，增加處理器上并不能提供的接口。

圖2表示了飛思卡爾公司i.MX27多媒體開發(fā)平臺。i.MX27處理器主要是針對視頻應(yīng)用，如視頻安全以及通過IP傳輸視頻或語音。該處理器還具有廣泛的接口來滿足大多數(shù)應(yīng)用。

在這一開發(fā)平臺中，供應(yīng)商想要向該平臺增加一些其他存儲器接口。要選擇非原有的外設(shè)支持的話，基于閃存的FPGA可直接連接到i.MX27處理器的地址和數(shù)據(jù)總線。通過自身的SD/MMC和CE-ATA協(xié)議接口，F(xiàn)PGA也能夠與飛思卡爾處理器一起使用SD卡和微硬盤（Micro Hard Drive）存儲介質(zhì)。

當(dāng)需要進(jìn)行概念證明時，有必要有一張存儲卡，這種卡可以支持所有可能的接口。理想情況下，開發(fā)板應(yīng)該能夠識別所插入存儲器的類型，并選擇從FPGA到該處理器的正確接口。由于具有成熟的自動連接功能，設(shè)計師不需要知道如何針對每個設(shè)備對FPGA進(jìn)行編程。但是，設(shè)計師可以對其終端應(yīng)用所選定的協(xié)議進(jìn)行評估。通用存儲卡也可用于對多種處理器進(jìn)行評價。

采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)板可以節(jié)省幾個月的開發(fā)時間并降低生產(chǎn)成本。通過進(jìn)行第一輪的器件選型，并且可能實(shí)現(xiàn)去掉某些器件而無需在原型系統(tǒng)上浪費(fèi)資源，在交付最終架構(gòu)之前，可能要對多種處理器和接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

功耗測量

對低功耗便攜式應(yīng)用，最好一開始就謹(jǐn)記對開發(fā)平臺采用低功耗設(shè)計。通常，這些平臺已經(jīng)采用低功耗器件來消除一些稍后所需要的額外設(shè)計優(yōu)化。

綜合開發(fā)平臺將提供電路圖和材料清單（BOM）的詳細(xì)信息，考慮最終設(shè)計所采用的版圖和器件時，應(yīng)該對其進(jìn)行認(rèn)真研究。當(dāng)為你的低功耗便攜式應(yīng)用選擇最佳的開發(fā)平臺和子插件板時，對功耗進(jìn)行測量的能力也是一個關(guān)鍵的方面，無論是對整個系統(tǒng)還是對個別器件的功耗進(jìn)行測量。

已經(jīng)選定了處理器、存儲器類型和IP，低功耗存儲實(shí)現(xiàn)的下一階段就是要確定最后所得到的系統(tǒng)是否真的是低功耗。在這種情況下，F(xiàn)PGA存儲擴(kuò)展接口卡可用來測量功耗。

每次測量都盡可能使用板載跳線。要測量板子上的任何位置，有必要關(guān)閉器件，清除跳線，連接萬用表，然后，對系統(tǒng)上電。功耗可以分為以下位置：

FPGA內(nèi)核電流的測量用于評價IP功耗的使用，并且說明了可用于FPGA的靈活地功率優(yōu)化模式。注意的是，所采用的FPGA可能工作在1.5或1.2V核心電壓，所以一定要計算所使用的正確電壓的功耗。

另外兩個跳線在3.3V整流器電源電壓下對電流進(jìn)行測量。

FPGA上的每個I/O庫可以工作在不同的電壓下，使得電流的測量是彼此獨(dú)立地。

為了協(xié)助這些測量，系統(tǒng)在任何特定時間所操作的功能都通過LED進(jìn)行通訊。它還顯示了所操作的電壓和模式。

除在板級測量功耗外，在器件級通過軟件分析工具測量功耗的能力也是非常重要的。大多數(shù)廠商使用功率計算器進(jìn)行分析。在這里，寄存器的數(shù)量和時鐘頻率的大小可以用于提供功耗的值。

采用IP進(jìn)行更方便、準(zhǔn)確的測量，涉及到綜合設(shè)計，然后通過智能功率分析工具進(jìn)行測試。這些工具審查每個器件結(jié)構(gòu)特性、每個電源和每個I/O庫的功耗使用情況。由于功耗分析工具精度的提高以及設(shè)計師學(xué)會信任這些結(jié)果，還可以進(jìn)一步縮短設(shè)計周期時間。

多種存儲器開發(fā)平臺評估了每個存儲器接口的功耗使用情況，并對睡眠模式（圖3）進(jìn)行了示范。當(dāng)一個器件進(jìn)入睡眠模式，如FlashFreeze，該系統(tǒng)需要進(jìn)行測試以確保對喚醒接口命令進(jìn)行正確定時。這將確保在需要時該接口完全啟動和運(yùn)行。

對基于Flash的FPGA，F(xiàn)lashFreeze技術(shù)允許FPGA時刻準(zhǔn)備應(yīng)對需要，并且存儲器和寄存器的內(nèi)容不變。如果你使用SRAM FPGA，必須給出足夠的時間（大約150ms），以便使FPGA能夠喚醒，并重新配置。如此巨大的時間延遲在某些應(yīng)用中可能成為一個限制因素，并應(yīng)作為該系統(tǒng)概念證明的一部分來進(jìn)行測試。

由于FPGA技術(shù)愈來愈成熟，F(xiàn)PGA解決方案最終可以滿足便攜式設(shè)備所需的低功耗要求。此外，由于內(nèi)在的可編程解決方案，其還可以提供便攜式設(shè)計師所要求的更大靈活性，從而適應(yīng)今天手持設(shè)備市場不斷發(fā)展的幾乎數(shù)以百計的處理器和存儲器接口的組合應(yīng)用。

綜合開發(fā)平臺和軟件分析工具相結(jié)合方便了每個開發(fā)階段的功率測量，基于Flash的FPGA在便攜式產(chǎn)品中提供了延長電池壽命的手段。采用FPGA產(chǎn)品，設(shè)計師可以顯著降低其產(chǎn)品的上市時間和開發(fā)成本，與此同時，繼續(xù)滿足當(dāng)今消費(fèi)者的多樣化需求。