ACTEL FPGA在便携式系统中的应用分析

在上世纪最后的十年里，重复可编程逻辑器件大放异彩，在通信行也得到了广泛的应用，这一时期FPGA 竞争基本上集中在容量，性能， IO 标准方面。而在便携应用方面因为FPGA 的高昂的价格，惊人的功耗基本上很少应用。
　　
然而今天，随着全球环境恶化， 能源紧缺，各种个人电子消费产品便携式设备如MP3播放器, GPS导航仪，个人移动电话 ，游戏机价格猛烈下降，大量进入普通人家庭，能耗问题已变得日益重要，更由于产品平台化，竞争日趋白热化；产品生命周期的缩短，天文数字般的ASIC 掩模费用，工艺改进使得FPGA的功耗降到了可与传统ASIC 相当的水平，都使可编程器件在消费电子产品中可能找到自己的位置，最近非易失可编程器件的市场领导公司爱特公司 (ACTEL) 推出了它的低功耗，低价格，小封装的FPGA 产品 Nano IGLOO 和Nano ProASIC3 ，最低功耗为2uW，与竞争对手FPGA相比，功耗仅为其十五分之一。与此同时，封装尺寸缩减至3mmx3mm，价格低于1美元，从而打破FPGA在消费电子领域的最后一个障碍。
　　
那么可编程器件又是如何适应在消费电子中应用呢？
　　
通常都是电池供电的，电池寿命一直以来都是便携式电子设备最重要的设计指标之一，在过去的四十年间，半导体集成电路的发展基本上遵循摩尔定律，每十八个月电路容量提高一倍。对应工艺的改进，每个电路单元的功耗也相应减少一半。但由于电子设备功能的增加超过了功耗降低的速度，总体的来说，消费电子的功耗变的越来越大，直到现在我们也看不出有什么因素能改变这一趋势，但另一方面，电池技术的发展却相对缓慢，电池的供电能力并没有什么突飞猛进，十年前的手机的电池容量主流是700 mAhrs，今日大部分最新的手机电池是1250 mWhrs，但手机与过去相比，有 MP3、MPEG4 播放功能，有全球定位系统，具有蓝牙，有WI-FI，能上网，能收发电子邮件，能看电子书，能浏览照片，能玩游戏，具有300万像素的摄像头。在可预知的未来，还有更多的功能将被集成进来，因此我们只能从器件来改善，以在满足不断增加功能的条件下又能达到不低于过去的使用时间。
　　
Actel Nano系列可编程器件，本身是非易失性器件，不需要常规的FPGA的上电配置（图1），这减少了每次开关机时电路上电带来的功率损失。

图1
　　
Actel Nano FPGA可工作在1.2V 或1.5V的内核，1.2V 或1.5V 的输入输出端口可进一步降低功耗，在其独特的Flash*Freeze 模式下，功耗仅为2uW，同时能保留电路的内部和端口电平状态不变，而进入和退出该模式仅需要1 us在该模式下，你无需图2中的MOSFET 器件来关闭FPGA的内核电压，但可以获得与关掉内核几乎同样的节电效果。

图2
　　
对于大批量生产的消费电子设备，PCB面积大小，组件清单的减少，器件单个价格直接影响着产品的竞争力，关系着产品的成败， Actel FPGA器件不需要配置ROM, 不需要上电过程，在减少了组件清单的同时，也减少了PCB 面积，而其本身仅占用3mmx3mm；同时，它的低功耗又降低了对电源模块以及系统散热的要求。
　　
消费电子产品寿命的缩短，也给了FPGA用武之地，常规的手机芯片投放时间需要18个月左右，同时也需要数千万美元的掩模费用，而最近的统计表明，大部分中低端手机的寿命已缩短为6个月左右，一但用户需要增加新的应用，若原有的芯片集又没有足够的端口或资源来利用，客户只能坐看机会丧失，然而通过 Nano FPGA，客户就可能在原有芯片集设计的基础上，在两个月内很快的推出拥有新的性能的产品。
　　
FPGA 可以很容易的实现手机或其它便携式系统以下功能，如键盘扫描， LCD控制，GPIO 扩展， 电平转换， LED 控制，手机马达控制，存储端口扩展，总线变换，逻辑胶合等，而所有这一切都可以不到一个美元来实现。
　　
比如键盘扫描与常规的CPU 控制实现相比，不但很容易增加新的键盘按键，FPGA实现也大大减轻了CPU的负担，而且功耗更优化。