采用基于FPGA的SoC进行数字显示系统设计

系统级芯片(SoC)可采用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)两种方式实现。目前业界通常将处理器、逻辑单元和存储器等系统嵌入FPGA中构成灵活的SoC解决方案，本文以Virtex-II系列Platform FPGA为例，说明采用FPGA方案进行数字显示系统设计所具有的灵活、快速和低成本等特性。   

系统级芯片(SoC)解决方案被誉为半导体业最重要的发展之一，目前，从数字手机和数字电视等消费类电子产品到高端通信LAN/WAN设备中，这一器件随处可见。过去，为了创建此类嵌入式系统，设计工程师不得不在处理器、逻辑单元和存储器等三种硬件中进行选择，而现在这些器件已合并为单一的SoC解决方案。   

SoC面临的挑战   

嵌入式系统SoC可采用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现。开发新型SoC器件需要解决的几个关键问题包括：新的设计工具、先进的工艺技术及半导体IP。尽管在技术上十分先进，基于ASIC的SoC产业仍然面临着挑战，甚至会因此难以完全发挥潜力，以下列举其面临的一些问题和挑战：   

1. 系统复杂性不断增加，因此更容易引起设计错误和产品延迟，而重新投片则会导致成本上升。  
2. 上市时间压力更大。缩短上市时间面临着许多内部及外部压力要求，因为现在的设计方法仍然按照传统ASIC时间进度实施。  
3. 产品生命周期更短，对生命周期为半年到一年的产品进行设计复用的要求更强了。  
4. 多种业界标准并存。各种新的业界标准不断产生和更新，因此产品难以与业界标准的变化保持同步。  
5. 可用于不同产品的设计灵活性较差。  
6. 可重配置及现场升级性能缺乏。

现在，基于FPGA的SoC可以解决以前基于ASIC的SoC无法完成的任务和挑战，如现场升级、减少产品上市时间、满足不断出现和更新的标准要求。基于FPGA的SoC设计可用于多种场合，其中从ASIC向FPGA转型中受益最多的应用包括：  

1. 通信及网络：网络及无线基础设施。  
2. 数据处理：服务器及存储设备。  
3. 消费类电子产品：数字机顶盒、数字电视和个人摄像机。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上颇具优势；而FPGA则在上市时间、建模时间及升级能力上稍胜一筹，这些是权衡设计中FPGA和ASIC取舍的基本依据。与ASIC相比，FPGA最大的不同在于它采用了大量的晶体管和内部互联来实现编程。由于ASIC所用的晶体管数较少，因此就这一方面而言，ASIC的器件成本通常比FPGA要低。不过，根据摩尔定律所述，FPGA和ASIC在密度、性能及器件成本上的差距正逐渐缩小。如图1所示，芯片内连技术，如采用更多金属层及铜连线，有助于缩小FPGA和ASIC之间的成本、密度及性能差距。此外，在计算基于ASIC或FPGA的SoC成本时，除了生产成本外，设计开发所需的时间和经费也是一项重要的考虑因素。

Xilinx的可编程逻辑器件的发展过程。FPGA最初仅提供简单的逻辑解决方案组合，然后发展为Platforms FPGA，在功能及总成本上均为系统结构设计工程师提供了极大价值。现在，从网络设备到高端消费类器件，FPGA均开始了大批量生产。下面以Platform FPGA方案为例，说明基于FPGA的SoC方案的特点。

Platform FPGA解决方案

Platform FPGA是高性能的SoC解决方案，下面对其特点进行概要介绍。

A. Platform FPGA模型

以因特网、无线、全球化及个人通信为代表的信息化时代要求设备生产商在标准通信系统中增加数据率及通道数，以支持视频流、音频流及数据流。Platform FPGA为生产商提供了所需的系统灵活性、上市时间并可支持高带宽要求。此外，Platform FPGA提供了用于嵌入式处理器的系统控制、用于客户订制数据滤波及并行处理的DSP内核以及用于系统高速数据通信的吉比特串行及源同步I/O口。

Virtex-II系统门密度为4万到800万不等，可提供嵌入式系统存储器。由于这种高密度片上存储器可提供快速高效的FIFO缓冲区、移位寄存器及CAM，因此增加了整体系统带宽。嵌入式RAM模块及高速存储接口为带宽要求很高的系统提供了强大的、基于存储器的数据通道。

Virtex-II器件及其扩展器件所提供的Platform FPGA功能可解决系统级设计中面临的信号完整性、复杂系统时钟管理及板上EMI管理等问题。

B. Platform FPGA的软硬内核

Platform FPGA是一种灵活的解决方案，它在单芯片上集成了一系列软硬IP内核，同时硬件和固件可随时升级。FPGA架构的可编程性缩短了系统开发时间，单个Platform FPGA就可满足多种应用需要。此外，它还提供了软硬件协同设计的灵活性，设计工程师可在开发周期内便进行系统优化。

Platform FPGA采用了IP插入和有源内连技术。采用IP插入技术可将任何大小或形状的软硬IP内核无缝地插入到FPGA架构中任何部分，并保持与周围阵列极佳的连通性。而有源内连技术则提供了有源的布线通道，使得软硬IP内核无论位于阵列何处均可保持稳定、高效的性能。

处理器的性能

用于Platform FPGA的EmPower!解决方案为嵌入式处理器提供了最高性能的可编程系统，同时还可自由选择客户订制的解决方案。它所采用的嵌入式PowerPC405微处理器内核工作频率为300MHz，可提供超过420MIP的性能。此外，Virtex-II器件上的MicroBlaze软处理器内核是32位RISC处理器，工作频率为125MHz，可提供82MIP的性能。

Virtex-II解决方案中结合了嵌入式乘法器和增强的算术功能，具有超过0.5T-MAC/s的XtremeDSP功能，比业界最先进的嵌入式DSP处理器内核快100倍以上。将Xilinx的系统生成器与MathWork的MATLAB及Simulink相结合，可为系统和DSP设计工程师提供了一套他们熟悉的、完整的设计工具。

此外，SystemIO充分解决了高性能设计中各式各样的系统互联问题，包括物理接口和协议，以提供更高的带宽。为了使Platform FPGA能够支持最快的通信标准，如10G以太网、OC-192、Infiniband和XAUI接口标准，Virtex-II系列FPGA中集成了速度高达吉比特的串行收发器。SystemIO接口提供了最为灵活的解决方案来兼容一些新兴的接口标准，其中包括RapidIO、LDT、SPI4、PCI66、PCI、FlexBus4及POS-PHY4并行总线。

Platform FPGA SoC应用实例

一个基于Platform FPGA的SoC数字显示应用实例。数字视频设计中一个需要解决的关键问题是在同一块电路板上实现不同元件之间以及不同产品间的接口问题。USB2.0、IEEE1394和PCI可实现高速接口，而FPGA则提供了一种理想平台，为不同的技术提供接口及协议转换。

一般来说，数字视频技术的基础在于数字图像处理。本方案中，FPGA可提供性能卓越的DSP处理能力，因此可以通过可编程逻辑来实现数字图像处理。FPGA为数字视频流的编解码提供了一种有效的解决方案，并广泛用于色彩空间转换功能、MPEG块、转换率控制及Reed-Solomon和维特比解码器等模块。

显示驱动电路采用FPGA则易于编程，可用来控制显示所需的复杂时序信号，同时还可灵活地实现支持不同显示元件的多种版本。

小结

现在的FPGA是一种快速有效的开发平台，可加快开发周期，原因在于其拥有灵活的架构、先进的处理技术、强有力的软件综合技术及丰富的IP库，可提供最完整的系统集成解决方案。