SoC之数字显示系统设计

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。