基于FPGA的嵌入式SoC数字显示系统

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PlatformsFPGA，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PlatformFPGA方案为例，说明基于FPGA的SoC方案的特点。

PlatformFPGA解决方案

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

A.PlatformFPGA模型

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PlatformFPGA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.PlatformFPGA的软硬内核
PlatformFPGA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PlatformFPGA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。

PlatformFPGA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。