采用基于FPGA的SoC進行數字顯示系統設計

系統級芯片(SoC)可采用現場可編程門陣列(FPGA)或專用集成電路(ASIC)兩種方式實現。目前業界通常將處理器、邏輯單元和存儲器等系統嵌入FPGA中構成靈活的SoC解決方案，本文以Virtex-II系列Platform FPGA為例，說明采用FPGA方案進行數字顯示系統設計所具有的靈活、快速和低成本等特性。

系統級芯片(SoC)解決方案被譽為半導體業最重要的發展之一，目前，從數字手機和數字電視等消費類電子產品到高端通信LAN/WAN設備中，這一器件隨處可見。過去，為了創建此類嵌入式系統，設計工程師不得不在處理器、邏輯單元和存儲器等三種硬件中進行選擇，而現在這些器件已合并為單一的SoC解決方案。

SoC面臨的挑戰

嵌入式系統SoC可采用現場可編程門陣列(FPGA)或專用集成電路(ASIC)實現。開發新型SoC器件需要解決的幾個關鍵問題包括：新的設計工具、先進的工藝技術及半導體IP。盡管在技術上十分先進，基于ASIC的SoC產業仍然面臨著挑戰，甚至會因此難以完全發揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰：

1. 系統復雜性不斷增加，因此更容易引起設計錯誤和產品延遲，而重新投片則會導致成本上升。

2. 上市時間壓力更大。縮短上市時間面臨著許多內部及外部壓力要求，因為現在的設計方法仍然按照傳統ASIC時間進度實施。

3. 產品生命周期更短，對生命周期為半年到一年的產品進行設計復用的要求更強了。

4. 多種業界標準并存。各種新的業界標準不斷產生和更新，因此產品難以與業界標準的變化保持同步。

5. 可用于不同產品的設計靈活性較差。

6. 可重配置及現場升級性能缺乏。

現在，基于FPGA的SoC可以解決以前基于ASIC的SoC無法完成的任務和挑戰，如現場升級、減少產品上市時間、滿足不斷出現和更新的標準要求。基于FPGA的SoC設計可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉型中受益最多的應用包括：

1. 通信及網絡：網絡及無線基礎設施。

2. 數據處理：服務器及存儲設備。

3. 消費類電子產品：數字機頂盒、數字電視和個人攝像機。

ASIC在器件成本、尺寸和性能上頗具優勢;而FPGA則在上市時間、建模時間及升級能力上稍勝一籌，這些是權衡設計中FPGA和ASIC取舍的基本依據。與ASIC相比，FPGA最大的不同在于它采用了大量的晶體管和內部互聯來實現編程。由于ASIC所用的晶體管數較少，因此就這一方面而言，ASIC的器件成本通常比FPGA要低。不過，根據摩爾定律所述，FPGA和ASIC在密度、性能及器件成本上的差距正逐漸縮小。如圖1所示，芯片內連技術，如采用更多金屬層及銅連線，有助于縮小FPGA和ASIC之間的成本、密度及性能差距。此外，在計算基于ASIC或FPGA的SoC成本時，除了生產成本外，設計開發所需的時間和經費也是一項重要的考慮因素。

Xilinx的可編程邏輯器件的發展過程。FPGA最初僅提供簡單的邏輯解決方案組合，然后發展為Platforms FPGA，在功能及總成本上均為系統結構設計工程師提供了極大價值。現在，從網絡設備到高端消費類器件，FPGA均開始了大批量生產。下面以Platform FPGA方案為例，說明基于FPGA的SoC方案的特點。

Platform FPGA解決方案

Platform FPGA是高性能的SoC解決方案，下面對其特點進行概要介紹。

A. Platform FPGA模型