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嵌入式技術  

採用基於FPGA的SoC進行數位顯示系統設計

上網時間: 2002年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:programmable logic  可程式邏輯  SoC  系統單晶片  System-on-a-chip 

系統單晶片(SoC)可採用現場可程式閘陣列(FPGA)或專用積體電路(ASIC)兩種方式實現。目前業界通常將處理器、邏輯單元和記憶體等系統嵌入FPGA中構成靈活的SoC解決方案,本文以xilinx針對TI DSP推出新款高速連結介面" target=_blank>Virtex-II系列Platform FPGA為例,說明採用FPGA方案進行數位顯示系統設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統單晶片(SoC)解決方案被譽為半導體業最重要的發展之一,目前,從數位手機和數位電視等消費類電子產品到高階通訊LAN/WAN設備中,這一元件隨處可見。過去,為了建立此類嵌入式系統,設計工程師不得不在處理器、邏輯單元和記憶體等三種硬體中進行選擇,而現在這些元件已合併為單一的SoC解決方案。

SoC面臨的挑戰

嵌入式系統SoC可採用現場可程式閘陣列(FPGA)或專用積體電路(ASIC)實現。開發新型SoC元件需要解決的幾個關鍵問題包括:新的設計工具、先進的製程技術及半導體IP。儘管在技術上十分先進,基於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:圖1:縮小ASIC和FPGA成本/閘密度之間的差距。

1. 系統複雜性不斷增加,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再使用的要求更強了。4. 多種業界標準並存。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. 可用於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,基於FPGA的SoC可以解決以前基於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。基於FPGA的SoC設計可用於多種場合,其中從ASIC向FPGA轉型中受益最多的應用包括:1. 通訊及網路:網路及無線基礎設施。2. 數據處理:伺服器及儲存設備。3. 消費類電子產品:數位視訊轉換盒、數位電視和個人攝影機。

ASIC在元件成本、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取捨的基本依據。與ASIC相比,FPGA最大的不同在於它採用了大量的電晶體和內部互聯來實現編程。由於ASIC所用的電晶體數較少,因此就這一方面而言,ASIC的元件成本通常比FPGA要低。不過,根據摩爾定律所述,FPGA和ASIC在密度、性能及元件成本上的差距正逐漸縮小。如圖1所示,晶片內連技術,如採用更多金屬層及銅連線,有助於縮小FPGA和ASIC之間的成本、密度及性能差距。此外,在計算基於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。

圖2所示為Xilinx的可程式邏輯元件的發展過程。FPGA最初僅提供簡單的邏輯解決方案組合,然後發展為Platforms FPGA,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,從網路設備到高階消費類元件,FPGA均開始大量生產。下面以Platform FPGA方案為例,說明基於FPGA的SoC方案的特點。

Platform FPGA解決方案

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

A. Platform FPGA模型

以網際網路、無線、全球化及個人通訊為代表的資訊化時代要求設備生產商在標準通訊系統中增加數據率及通道數,以支援視頻流、音頻流及數據流。Platform FPGA為生產商提供了所需的系統靈活性、上市時間並可支援高頻寬要求。此外,Platform FPGA提供了用於嵌入式處理器的系統控制、用於客戶訂製數據濾波及平行處理的DSP內核以及用於系統高速數據通訊的Gigabit串列及源同步I/O介面。圖2:可程式邏輯及元件的功能演變。

Virtex-II系統閘密度為4萬到800萬不等,可提供嵌入式系統記憶體。由於這種高密度晶片上記憶體可提供快速高效的FIFO緩衝區、移位暫存器及CAM,因此增加了整體系統頻寬。嵌入式RAM模組及高速儲存介面為頻寬要求很高的系統提供了強大的、基於記憶體的數據通道。

Virtex-II元件及其擴展元件所提供的Platform FPGA功能可解決系統級設計中面臨的信號完整性、複雜系統時脈管理及板上EMI管理等問題。

B. Platform FPGA的軟硬內核

Platform FPGA是一種靈活的解決方案,它在單晶片上整合了一系列軟硬IP內核,同時硬體和固件可隨時升級。FPGA架構的可程式性縮短了系統開發時間,單個Platform FPGA就可滿足多種應用需要。此外,它還提供了軟硬體協同設計的靈活性,設計工程師可在開發周期內便進行系統最佳化。

Platform FPGA採用了IP插入和主動內連技術。採用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架構中任何部份,並保持與周圍陣列極佳的連通性。而主動內連技術則提供了主動的佈線通道,使得軟硬IP內核無論位於陣列何處均可保持穩定、高效的性能。

處理器的性能

用於Platform FPGA的EmPower!解決方案為嵌入式處理器提供了最高性能的可程式系統,同時還可自由選擇客戶訂製的解決方案。它所採用的嵌入式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元件上的MicroBlaze軟處理器內核是32位元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的系統產生器與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,包括物理介面和協議,以提供更高的頻寬。為了使Platform FPGA能夠支援最快的通訊標準,如10G乙太網路、OC-192、Infiniband和XAUI介面標準,Virtex-II系列FPGA中整合了速度高達Gigabit的串列收發器。SystemIO介面提供了最為靈活的解決方案來相容一些新興的介面標準,其中包括RapidIO、LDT、SPI4、PCI66、PCI、FlexBus4及POS-PHY4平行匯流排。

Platform FPGA SoC應用實例圖3:一個基於Platform FPGA的SoC數位顯示應用實例。

圖3所示為一個基於Platform FPGA的SoC數位顯示應用實例。數位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介面問題。USB2.0、IEEE1394和PCI可實現高速介面,而FPGA則提供了一種理想平台,為不同的技術提供介面及協議轉換。

一般來說,數位視頻技術的基礎在於數位影像處理。本方案中,FPGA可提供性能卓越的DSP處理能力,因此可以通過可程式邏輯來實現數位影像處理。FPGA為數位視頻流的編解碼提供了一種有效的解決方案,並廣泛用於色彩空間轉換功能、MPEG方塊、轉換率控制及Reed-Solomon和解碼器等模組。

顯示驅動電路採用FPGA則易於編程,可用來控制顯示所需的複雜時序信號,同時還可靈活地實現支援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台,可加快開發周期,原因在於其擁有靈活的架構、先進的處理技術、強有力的軟體合成技術及豐富的IP庫,可提供最完整的系統整合解決方案。

作者:


Helen Yu


行銷經理


處理器解決方案組


Xilinx公司




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