簡介

　　世界領(lǐng)先的手機制造商們的廣告有什么共同點?

　　答：他們幾乎從來都不說他們的產(chǎn)品能夠打電話——除非是某種視頻通話功能。相反，他們承諾你可以與任何人聯(lián)絡(luò)，分享你所希望分享的一切。他們標榜有成百上千的應(yīng)用程序可供您下載。這些應(yīng)用程序可以做一切的事情，包括幫助你清理地毯，甚至使用星星來導航到一個遙遠的地方，并且同時發(fā)送一系列 tweet 進行實時更新，與你在世界各地的忠實追隨者分享。

　　現(xiàn)在，這一切似乎只是有趣的營銷推廣，但是如果研究的更深入一些，我們會發(fā)覺一個影響著每一位智能手機設(shè)計師的更深層次的工程現(xiàn)象。通過添加互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器，iPhone 創(chuàng)造了一種全新的手機使用模式。瞬間，該手機的移動客戶端成為了所有萬維網(wǎng)網(wǎng)站必須 24/7 提供的功能。今天，約有 10 萬數(shù)量的特有功能應(yīng)用程序開發(fā)人員在為各種智能手機服務(wù)。這個規(guī)模在同行業(yè)中是獨一無二的，智能手機所帶來的眾多影響之一就是，快速產(chǎn)生新的需求。例如，游戲開發(fā)商叫囂著需要更大、更好的顯示器，或者智能手機的輸出可以連接到更大的外部顯示器。畢竟，可能比打掉“憤怒的小鳥”中最后一只豬更酷的事，就是在高清大屏幕前當著所有朋友的面打掉它。

　　對智能手機設(shè)計師的影響快速響應(yīng)新的需求使得產(chǎn)品的開發(fā)周期變得更短。并且為了滿足時間進度的巨大壓力，將導致更多地依賴標準芯片——即全功能的應(yīng)用處理器(片上系統(tǒng)或 SoC)，如Qualcomm Snapdragon 或者 TI 的 OMAP。但是，現(xiàn)在我們有一個矛盾：如應(yīng)用處理器那樣大的芯片需要用兩到三年的時間來開發(fā)，這意味著任何你今天購買的產(chǎn)品都是兩三年前定義的，以目前智能手機的發(fā)展速度，這個周期太長了。

　　另一種方式是從應(yīng)用處理器設(shè)計師的角度來看。他們必須用今天的知識，定義明天的芯片。但是，即使他們成功了，一旦新智能手機的應(yīng)用處理器發(fā)布，就會十萬個開發(fā)人員開始開發(fā)一些新的、不同的應(yīng)用，由此將會產(chǎn)生更多的需求。因此智能手機的設(shè)計師們應(yīng)該做些什么?為了實現(xiàn)設(shè)計進度，你必須使用現(xiàn)成的芯片。但是昨天的應(yīng)用處理器往往不能滿足今天的要求。所以，你需要延后您的想法，直到新的應(yīng)用處理器可以支持你的創(chuàng)意(那時候你的競爭對手也將獲得)，或者你需要使用一些別的器件來補充現(xiàn)有應(yīng)用處理器的功能。

　　應(yīng)用處理器開發(fā)周期空檔之間的銜接

　　一個解決辦法是使用一個 FPGA。然后，你可以實現(xiàn)你的創(chuàng)意而無需等待。但是，直到最近，這不再是一種好的選擇。一般對智能手機而言，F(xiàn)PGA 太大、太昂貴又太耗電了。這是因為傳統(tǒng)的 FPGA 是為那些不受限于智能手機通常需要考慮的價格、功耗和空間限制因素的應(yīng)用而設(shè)計的。

　　但是現(xiàn)在，你會發(fā)現(xiàn)越來越多的 FPGA 專門針對小尺寸、低價、功耗敏感的消費電子設(shè)備——特別是智能手機而設(shè)計。這種新的 FPGA，可用作應(yīng)用處理器的功能補充，實現(xiàn)應(yīng)用處理器開發(fā)周期空檔之間的銜接(圖 1)。

　　過多的傳感器

　　在一個手機中，沒有比傳感器更好的例子來說明我們所描述的情況。撥打電話完全不需要用到傳感器，它最初只用于簡單的功能，如基于環(huán)境光調(diào)整顯示器的背光。但傳感器提供了許多有關(guān)手機周圍環(huán)境的信息，這些信息可以在許多不同場合使用。因此，越來越多的傳感器被添加到智能手機中：今天的智能手機可能會有十幾到二十幾個不同的傳感器。

　　然而，這對設(shè)計師提出了一個問題：如何處理這些來自傳感器的信息?顯而易見的答案是將傳感器輸出輸入到應(yīng)用處理器，但處理器通常沒有傳感器所需的那么多 I2C 或 SPI 端口。這意味著需要尋找一些其他方式復用或使用通用的 I/O(往往表現(xiàn)欠佳)來處理過多的傳感器輸出。

　　但是現(xiàn)在面臨挑戰(zhàn)是：一個手機的體積是很小的，空間是需要重點考慮的問題——甚至比功率更重要。你不能只是把多個分立元件放進手機來增加傳感器的數(shù)量。如果現(xiàn)在只有其他非消費類的系統(tǒng)，那么顯而易見的解決方案是使用 FPGA。但是，根據(jù)以往的經(jīng)驗，沒有人會將 FPGA 用在手機中：它們太大、太昂貴又太耗電。并且因為大多數(shù) FPGA 是為許多無需考慮這些限制因素的應(yīng)用而設(shè)計的。但是現(xiàn)在，你會發(fā)現(xiàn)越來越多的 FPGA 專門針對小尺寸、低價、功耗敏感的消費電子設(shè)備——特別是智能手機而設(shè)計。這些應(yīng)用處理器的新伙伴，可用于未來新的硬件發(fā)布——如帶有幾十個傳感器，和目前應(yīng)用處理器所能實現(xiàn)的功能之間的銜接。

　　智能手機中的 FPGA

　　傳感器管理是一個很好的例子，可以說明如何使用一款應(yīng)用處理器的好伙伴，今天就能獲得明天的 SoC 的功能。其中需要解決的最根本問題是傳感器的數(shù)量和應(yīng)用處理器上可用端口數(shù)量之間不匹配的問題。

　　例如，Qualcomm 的基帶處理器——如 MSM8X55——最多只能處理 3 個 I2C 輸入。今天的智能手機至少有三個定位傳感器——加速度計、陀螺儀和指南針——以及觸摸屏和電池監(jiān)測器。比如為了吸引更多的健身愛好者，可能要添加心跳速率和流汗監(jiān)測器以及一個海拔高度表(用于遠足愛好者)。觸摸屏必須有自己的輸入，所以在其他傳感器工作時，不會錯過任何觸摸事件。這意味著所有其他的傳感器要共享剩下的兩根 I2C 總線。

　　可以對一個應(yīng)用處理器伙伴編程，添加更多的 I2C 主控，并且可以連接傳感器和Qualcomm 的外部總線接口(EBI2)。如圖 2 所示，所有的 I2C 功能的處理都在應(yīng)用處理器伙伴中實現(xiàn)，然后傳感器輸出緩存在 FIFO 中，并通過高速 EBI2 接口與應(yīng)用處理器通信，無需再使用任何 I2C 端口。

　　減輕應(yīng)用處理器的工作負擔

　　增加應(yīng)用處理器的可用端口是很有幫助，但它也可能會導致另一個問題更加嚴重。應(yīng)用處理器通常需要處理傳感器數(shù)據(jù)，因此，傳感器數(shù)量越多，它就會有更多的數(shù)據(jù)要處理。

　　例如，如陀螺儀和加速度計這樣的慣性測量單元，只是在旋轉(zhuǎn)或平移加速上，分別提供輸出值。它們不會告訴你它們的值發(fā)生了變化。這意味著典型的應(yīng)用處理器需要不斷輪詢，以確認是否發(fā)生了變化。即使應(yīng)用處理器其他什么事都不干，這樣也阻止了應(yīng)用處理器進入休眠模式，從而增加了功耗?，F(xiàn)在需要減輕應(yīng)用處理器傳感器管理的工作負擔，F(xiàn)PGA 可以用作一個應(yīng)用處理器伙伴，這將是一種有效的解決方案(圖 3)。你可以創(chuàng)建一個自動輪詢模塊并且跟蹤值，當出現(xiàn)某些變化，需要執(zhí)行某些操作時提醒應(yīng)用處理器。這將使傳感器讀有效地從“拉”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴啤保试S應(yīng)用處理器忽略傳感器，直到發(fā)生中斷。

　　另外一種不同的情況是，一些傳感器，如觸摸傳感器，已經(jīng)提供了一個中斷信號，因此應(yīng)用處理器不必處理，直到有感興趣的事件發(fā)生。問題是，當有多個手指觸摸傳感器并且滑動，將會有大量的中斷產(chǎn)生——至少有上千個——應(yīng)用處理器很容易就癱瘓了。此時，可以使用一個應(yīng)用處理器伙伴來管理大量的中斷，如圖 4 所示，對它們進行排序，過濾噪聲，并僅將有用的信息提供給應(yīng)用處理器。這將大大減輕應(yīng)用處理器的工作負擔，無需處理那些無意義的中斷，使其能夠?qū)Ｗ⒂谔幚砀鄬嵸|(zhì)性的任務(wù)。

　　請注意，你還可以同時處理接口轉(zhuǎn)換。上面顯示的應(yīng)用處理器通過應(yīng)用處理器伙伴中的一個 SPI 接口來接收 I2C 輸入，你可以在另一個需要 SPI 接口的應(yīng)用處理器中重用這個設(shè)計，抑或用于一個應(yīng)用處理器的 I2C 端口已經(jīng)用于其他場合的情況。這些例子說明了 FPGA 作為一個應(yīng)用處理器伙伴，可以與三年前設(shè)計的應(yīng)用處理器配合來完成你現(xiàn)在的創(chuàng)意…而不是要三年后才能實現(xiàn)。在專門為智能手機的小尺寸、低功耗、低成本需求而設(shè)計的 FPGA 中，萊迪思半導體公司的 mobileFPGA?是一個很好的代表。在智能手機生命周期大大縮短的今天，使你可以跟上令人眼花繚亂的創(chuàng)新時代，并同時還能夠思考一個“手機”可以實現(xiàn)的所有其他不可思議的功能。