低成本FPGA在工业便携式系统设计中获得应用

随着量产型低成本FPGA(如Altera的CyClone系列和Xilinx的Spartan系列)的价格趋近3美元左右，FPGA不仅开始在消费电子市场上挑战传统的固定功能ASIC的地位，而且也开始向工业用便携式应用市场渗透。

面向低成本便携式系统应用的批 FPGA 是在20世纪90年代末期出现在市场上的。在此之前，这一市场一直让位给标准的固定功能器件。一开始，对于此类低成本应用，FPGA通常并不是成本的解决方案。然而，由于其能够快速且容易地集成各种分离的逻辑器件，与替代方案相比，占用较少的电路板空间，且多数情况下会更省电，因此FPGA很快就开始进入许多消费和工业市场。

但是，随着可编程器件由内核限制(core-limited)变为引线限制(pad-limited)，成本公式开始向有利于FPGA的方向倾斜。当管芯尺寸完全由所需I/O引线的数目决定而不是由内核的逻辑数量决定时，就出现了引线限制。这种情况发生时，可编程性的布线开销对管芯尺寸将不会再有太大影响，从而对器件成本也不会再有太大影响。

许多标准器件(如ASSP和ASIC等)出现引线限制现象已经有一段时间了。当工艺尺寸小于0.5μ时，在一些较小的FPGA器件上，次遇到了引线限制问题。

如今，低成本FPGA正以基于90nm工艺技术实现的架构引领工艺曲线。沿着工艺曲线的稳步前进，加上在更大尺寸晶片上越来越高的成品率，使得 FPGA 成本大为降低。根据我们的计算，低成本FPGA中每1000个逻辑单元(可编程器件中逻辑容量的一种标准测量方法)的成本自1998年以来已经下降了30倍。

降低的器件成本，加上可编程性固有的吸引力，意味着许多系统设计人员在进行设计决策时将会认真地在FPGA方案与固定功能分离器件方案之间进行评估。同时随着成本的继续下降，现在FPGA正在从成本及设计易用性、占用面积和功耗等方面取代各种分离逻辑和其他标准产品。

一代的低成本FPGA器件系列还包含了平台特性：对可提供高速DSP功能的嵌入式8位及32位处理器、嵌入式乘法器的支持，对差分信号、精密系统时钟资源的内置支持等等。利用这些特性可实现更高的系统集成度，从而为系统设计师提供潜在系统成本和功耗节省。

本文详细描述了低成本FPGA器件的一些发展趋势，并给出了一个系统设计示例，说明在一个低成本FPGA内实现的逻辑集成节省了BOM成本，从而使设计更容易，功率特性更好。

低成本FPGA的发展趋势

低成本FPGA刚推出时是以较低的成本提供基本的可编程逻辑结构功能性(剥去所有功能性)。目的是要利用现有市场的价格弹性，切入更新的高批量市场。一开始，低成本FPGA在架构和工艺两方面均与其相对应的高端FPGA系列十分相似。

当这种产品类别开始进一步为市场所接受时，低成本FPGA已开发了自己特有的架构和特性集。的低成本FPGA甚至采用了的90nm工艺技术，以提供的单位成本。这些 FPGA 系列已经整合了平台特性，允许以的成本集成复杂DSP、内存控制、复杂时钟和处理功能。

这些新型FPGA系列所提供的低价格点可使用器件单位成本和单个实现功能的成本来测算。

单个实现功能的成本假设了器件单位成本，还假设了设计者能够利用大部分剩下的器件逻辑实现系统功能。无论这种假设是否成立，当考虑在价格敏感应用中使用FPGA进行数据处理功能时，功能成本都是一个重要的指标。

赛灵思公司推出的低成本FPGA系列(Spartan-3E系列)可以标准产品价格实现微处理器、微控制器和数字信号处理功能，包括实际成本为0.48美元的32位MicroBlaze嵌入式处理器，实际成本不到0.10美元的8位PicoBlaze嵌入式处理器,以及性价比小于1美元/GMAC/s的DSP。

系统架构师通常先在FPGA中实现粘接和互连逻辑，然后在同一FPGA结构内加入外围处理器和/或DSP处理。我们开始看到FPGA与主系统控制器/DSP器件的结合越来越多地在数据处理中得到应用。

今天，这些系统只是已得到应用的低成本系统的很小一部分。但FPGA价格正越来越低，特别是随着采用90nm加工工艺的产量的猛增以及各个公司开始推出65nm产品。同时，对FPGA的平台特性越来越熟悉的系统架构师们也将能够更好地利用这些结构来集成更多的功能。

这两种趋势保证了我们将看到，随着系统制造商们比以往任何时候更快地竞相推出各种产品，随着低成本FPGA产品系列成本更低而功能更多，标准可编程器件在低成本系统中的应用将进一步得到提升。

系统设计示例：Aster手持电缆测试仪

ASTER手持电缆测试仪用于快速测试铜质电缆，以发现内部短路。借助适当的适配器，同一系统也可用于断线检查。系统可识别连接在引脚之间的任何二极管并给出。该手持电缆测试仪还配有一个并口，以便通过便携打印机打印测试结果。

在现场环境对电缆进行快速断线检查需要使用便携式电池供电手持测试仪。该系统的工作原理与昂贵的台式电缆测试仪相似，但需要把逻辑放进较小的模壳里。按传统的做法，将使用分离的逻辑器件来实现专有设计。初步估计显示，需要使用大约70个固定功能分离逻辑器件。每个器件至少为20引脚封装。

此设计既不能满足模壳的要求，也不能满足系统功耗和成本的要求。同时，设计采用分离器件来实现也较为费力和不灵活——如果设计要求在实现阶段改变，将可能需要对电路板进行彻底的重新布局。

实现该系统的第二种选择是采用FPGA。使用一片易于布线的208引脚PQFP封装的的Spartan FPGA芯片和一个8位微控制器(用于显示器和打印机功能)，就可以在一种非常灵活且可编程的平台上设计系统。这种设计方法不但节省了BOM成本，还通过实现高集成度降低了系统的总功耗要求，从而使该手持电缆测试仪在单个9V电池供电情况下连续运行约5个小时。

采用赛灵思设计软件推荐的一些高效综合技术，整个逻辑只用了该 FPGA 芯片内可用空间的30%，从而为适应设计升级和要求更改提供了充足的器件剩余空间。之处在于，其易于完成设计的特性以及实时改变设计的能力，使得工程师们在终客户提交系统设计规范后不到八周内就完成了设计。

下一个版本 …

该电缆测试仪的下一个版本将按照更低的成本、更小的模壳和更好的功率特性进行设计。为了满足这些更为苛刻的系统规范，需要使用具有更高集成度的平台特性的低成本 FPGA。赛灵思公司新推出的Spartan-3L系列提供了同样的低成本，而静态功耗降低了30%，同时提供了嵌入式处理功能，可使用FPGA内小部分资源实现一个8位或32位处理器。目前该系列芯片在下一个版本的电缆测试仪中的应用正在得到评估。

作者：Suhel Dhanani