為了保持“聯系和聯絡”，消費者越來越多地依賴于他們的便攜式設備，其范圍包括了從智能手機、個人媒體播放器與數碼相機到新興的解決方案，例如筆記本電腦等。目前的手持設備可為多種應用服務，并提供了各種不同的功能，這轉而依賴于終端應用的大容量存儲，眾多的功能以及技術挑戰。

與此同時，便攜式設計師承受著不斷增加的成本和產品上市時間的壓力，在價格敏感的消費市場中努力提供著新的功能并緊跟上快速變化的標準。問題的復雜化進一步要求在不犧牲電池壽命前提下，提供所有這些功能。

現場可編程門陣列（FPGA）歷來被認為是將設計推向市場的最佳途徑。然而，由于功耗及成本的考量，該技術的應用范圍已不僅限于原型設計。

然而，在過去的幾年里，設計進步已經推動FPGA轉向高容量便攜式設備的設計。此外，新興的解決方案正幫助設計師降低成本，并增加電池的壽命。舉例來說，基于Flash的FPGA解決方案，消除了與基于SRAM解決方案有關的大功耗配置存儲器和泄漏電流。

FPGA的靜態功耗低至5mW，并且有效/動態功耗低至25mW，其功耗可與定制ASIC和專用處理器相匹敵。此外，其內部可編程性使得設計人員能夠實現基于平臺的設計。這讓OEM廠商的工作從單一的基礎平臺和增加或去除某些特性轉變為滿足多種價值點。這一能力有效利用了覆蓋多個產品型號的硬件和軟件設計成本，為便攜式產品設計師產生了更大的規模經濟效益。

便攜式存儲的現狀

目前，便攜設備中越來越多的數字內容，增加了對更大存儲能力的需求。因此，便攜式存儲可能會占用電子設備中大部份的功耗。

從硬盤驅動器（HDD）到閃存設備，便攜式儲存應用可以利用FPGA來降低成本，提高靈活性并延長電池的壽命。用于運行操作系統（OS）和應用軟件的應用處理器已經預定義了接口，通常難以適應瞬息萬變的市場需求。

因此，在關鍵領域中，FPGA可提供更多想要的靈活性，這包括了存儲器、處理器橋和控制器，以及連接接口。在這些應用中，基于Flash的FPGA可以降低功耗，并同時支持多種存儲器接口標準。

各種存儲解決方案，大致可以分類為閃存器件和HDD，其可以用于目前不斷增長的大量電子設備中。便攜式產品需要高存儲容量的HDD解決方案，例如視頻錄像機和攝像機，將采用這兩種控制器中的一種。前者是一種集成器件電子（IDE）控制器，基于并行或串行ATA標準。后者是消費電子ATA（CE-ATA）控制器，這是一種小形狀系數設備的共同標準，例如便攜式媒體播放器和手持設備等。

閃存的使用也有所擴大，從而產生了另一套存儲接口。多種存儲卡格式，如安全數字（SD）和超小與可移動緊湊式閃存卡（CF）解決方案，與NAND閃存控制器一起是用于閃存市場的主要接口。

手持設備可以使用這些接口的組合或者只需要用于某個特定應用的一種接口。無論哪種方式，半導體解決方案必須提供可以實現任意數量接口選擇的靈活性。

應用處理器傳統上對某些選定的存儲接口提供支持。但是，手持設備設計的新趨勢是將應用處理器與超低功耗FPGA進行配對，采用FPGA來提供橋接功能，并擴大處理器的存儲接口支持（圖1）。

存儲器的實現

實現存儲系統時，最重要的是要極為關注基本架構的選擇。首先，將采用哪種處理器？在競爭激烈的便攜產品市場，通常有幾個領先的候選處理器，設計師的選擇通常受到多種因素的影響，從技術要求，例如性能、尺寸和功率分布，到過去采用特定處理器的設計經驗。

因此，設計師必須仔細評估其設計目標。該設計是不是依靠先前的架構，因此要求向下兼容？這樣一來，工程師是否可以靈活選擇他們所采用的最有經驗的處理器？設計是否要求低功耗？當然，在便攜式應用中，處理器的功耗和效率將成為這一決定的關鍵因素。

決定的作出還與存儲器架構有關。主處理器上有哪些接口？某些存儲項目的存取比其他項目更頻繁嗎？如果存取頻率有差異，雙重系統可能是最佳的。該應用是否需要快速存取存儲器來滿足應用的需要？如果是的話，可能需要專用的存儲器控制器。該系統是否需要識別所配的存儲器類型，并且與回掃的接口標準相匹配？其次，需要外部可適應控制器來實現這一功能。

通常，終端應用的設計要求影響處理器的選擇，而并非特定處理器所支持的存儲接口。存儲器的選擇也將受到終端應用需求的影響。因此，在處理器和存儲器之間，接口的選擇可能有幾十至幾百種。

在進一步研發之前，設計師可能需要測試幾種不同的存儲方案來實現概念驗證。對處理器到最佳存儲器解決方案的可能接口進行匹配時，采用FPGA作為接口解決方案，提供了徹底的靈活性。

選擇存儲接口平臺

存儲實現中的下一步就是處理器和應用的依賴性。大多數處理器廠商在存儲空間中提供了充分的開發平臺，以方便使用他們的專用處理器平臺。每個處理器開發板也伴有一套標準接口，但這些接口可能與所選定的存儲技術的要求并不匹配。

處理器開發板應該有一個標準的擴展頭，專門設計用來開發子插件板，其支持更多的外圍設備，以及對相同處理器的多種存儲協議進行評價。以選定的主板為原型，選擇存儲接口而不必購買多個子插件板時，具備板載FPGA的子插件板更具靈活性。

FPGA在處理器擴展卡上可采用以下兩種方式之一。第一種方法是通過增加額外的存儲器插槽擴展對原有外設的支持，該插槽還兼容處理器上已有的插槽。第二種方法是能夠提供非原有外設的支持，增加處理器上并不能提供的接口。

圖2表示了飛思卡爾公司i.MX27多媒體開發平臺。i.MX27處理器主要是針對視頻應用，如視頻安全以及通過IP傳輸視頻或語音。該處理器還具有廣泛的接口來滿足大多數應用。

在這一開發平臺中，供應商想要向該平臺增加一些其他存儲器接口。要選擇非原有的外設支持的話，基于閃存的FPGA可直接連接到i.MX27處理器的地址和數據總線。通過自身的SD/MMC和CE-ATA協議接口，FPGA也能夠與飛思卡爾處理器一起使用SD卡和微硬盤（Micro Hard Drive）存儲介質。

當需要進行概念證明時，有必要有一張存儲卡，這種卡可以支持所有可能的接口。理想情況下，開發板應該能夠識別所插入存儲器的類型，并選擇從FPGA到該處理器的正確接口。由于具有成熟的自動連接功能，設計師不需要知道如何針對每個設備對FPGA進行編程。但是，設計師可以對其終端應用所選定的協議進行評估。通用存儲卡也可用于對多種處理器進行評價。

采用業界標準的開發板可以節省幾個月的開發時間并降低生產成本。通過進行第一輪的器件選型，并且可能實現去掉某些器件而無需在原型系統上浪費資源，在交付最終架構之前，可能要對多種處理器和接口標準進行評價。

功耗測量

對低功耗便攜式應用，最好一開始就謹記對開發平臺采用低功耗設計。通常，這些平臺已經采用低功耗器件來消除一些稍后所需要的額外設計優化。

綜合開發平臺將提供電路圖和材料清單（BOM）的詳細信息，考慮最終設計所采用的版圖和器件時，應該對其進行認真研究。當為你的低功耗便攜式應用選擇最佳的開發平臺和子插件板時，對功耗進行測量的能力也是一個關鍵的方面，無論是對整個系統還是對個別器件的功耗進行測量。

已經選定了處理器、存儲器類型和IP，低功耗存儲實現的下一階段就是要確定最后所得到的系統是否真的是低功耗。在這種情況下，FPGA存儲擴展接口卡可用來測量功耗。

每次測量都盡可能使用板載跳線。要測量板子上的任何位置，有必要關閉器件，清除跳線，連接萬用表，然后，對系統上電。功耗可以分為以下位置：

FPGA內核電流的測量用于評價IP功耗的使用，并且說明了可用于FPGA的靈活地功率優化模式。注意的是，所采用的FPGA可能工作在1.5或1.2V核心電壓，所以一定要計算所使用的正確電壓的功耗。

另外兩個跳線在3.3V整流器電源電壓下對電流進行測量。

FPGA上的每個I/O庫可以工作在不同的電壓下，使得電流的測量是彼此獨立地。

為了協助這些測量，系統在任何特定時間所操作的功能都通過LED進行通訊。它還顯示了所操作的電壓和模式。

除在板級測量功耗外，在器件級通過軟件分析工具測量功耗的能力也是非常重要的。大多數廠商使用功率計算器進行分析。在這里，寄存器的數量和時鐘頻率的大小可以用于提供功耗的值。

采用IP進行更方便、準確的測量，涉及到綜合設計，然后通過智能功率分析工具進行測試。這些工具審查每個器件結構特性、每個電源和每個I/O庫的功耗使用情況。由于功耗分析工具精度的提高以及設計師學會信任這些結果，還可以進一步縮短設計周期時間。

多種存儲器開發平臺評估了每個存儲器接口的功耗使用情況，并對睡眠模式（圖3）進行了示范。當一個器件進入睡眠模式，如FlashFreeze，該系統需要進行測試以確保對喚醒接口命令進行正確定時。這將確保在需要時該接口完全啟動和運行。

對基于Flash的FPGA，FlashFreeze技術允許FPGA時刻準備應對需要，并且存儲器和寄存器的內容不變。如果你使用SRAM FPGA，必須給出足夠的時間（大約150ms），以便使FPGA能夠喚醒，并重新配置。如此巨大的時間延遲在某些應用中可能成為一個限制因素，并應作為該系統概念證明的一部分來進行測試。

由于FPGA技術愈來愈成熟，FPGA解決方案最終可以滿足便攜式設備所需的低功耗要求。此外，由于內在的可編程解決方案，其還可以提供便攜式設計師所要求的更大靈活性，從而適應今天手持設備市場不斷發展的幾乎數以百計的處理器和存儲器接口的組合應用。

綜合開發平臺和軟件分析工具相結合方便了每個開發階段的功率測量，基于Flash的FPGA在便攜式產品中提供了延長電池壽命的手段。采用FPGA產品，設計師可以顯著降低其產品的上市時間和開發成本，與此同時，繼續滿足當今消費者的多樣化需求。