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FPGA器件在游戏控制台设计中的应用

电子设计 2019-01-10 09:51 次阅读

FPGA的简介:

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

游戏控制台设计者必须在实现系统的多功能、可靠性和低成本之间寻找平衡。市场压力经常迫使最初的控制台价格低于可盈利的水平。不过,要在商业上获得成功,游戏控制台就必须能够提供多种功能,如高清晰度图像、网络连接、运动传感控制器以及基于IP的视频内容,并且所有这些都要在用户能承受的价格内。

为保持低成本特性,通常采用基于平台的方法来设计游戏控制台。目标是尽可能地使每个控制台相似,同时还能满足特殊区域的要求。单个平台设计通常是不现实的,经济效益上也不可行,但FPGA所提供的硬件灵活性使得游戏系统能够很容易地针对不同区域、模型、组件和升级版进行重新设计。

一个典型的游戏控制台包括CPU、图形处理器、存储器件、通信单元、I/O和用户接口。游戏控制台的核心通常是几个大规模ASIC(Application Specific Integrated Circuit的英文缩写,在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路)或ASSP(ASSP Application Specific Standard Parts(专用标准产品)是为在特殊应用中使用而设计的集成电路)。例如,iSuppli的报告指出,Sony PS3就包含一个7个核定制基于cell的CPU(ASIC)、一个NVIDIA图形芯片组(ASSP)、XDR存储器和一个flexIO处理器接口。

由于FPGA在许多应用中取代了ASIC,或许现在是时候将它用于下一代游戏控制台设计中了。FPGA和PLD相对较低的成本正在推动其在消费电子产品中的使用,尤其是在LCD和等离子电视中。根据Gartner Group的报告(如图1所示),在未来的4年中,用于消费电子产品的PLD和FPGA器件的全球市场年均复合增长率(CAGR)预计将达9.5%,超过了年均复合增长率为4.0%的ASIC器件。

FPGA器件在游戏控制台设计中的应用

图1:用于消费电子设备的ASIC和FPGA的年收益变化。

基于平台的游戏控制台设计考虑因素

FPGA可以帮助系统设计者尽可能地节约成本并提供最大的灵活性,这是由基于平台方法通过提供以下设计方针来实现的。

需求和模型可随着区域而变化:针对多个标准和格式提供可编程支持能加快产品上市时间;低成本和可靠的设计:集成全部的系统I/O接口、控制逻辑和调试功能,以支持连接至HDD和内部存储器的ASIC/ASSP芯片组的桥接功能,定制的用户接口逻辑可降低在新产品中的风险;在最终测试期间和现场的安全编程能够实现对多种标准的支持、协处理算法的增量升级以及易于对新功能进行测试。

带有嵌入式DSP解决方案的FPGA

在选择面向平台的可编程器件时,通常需考虑三种电路要求:面向协处理功能的嵌入式DSP的功能和性能、查找表(LUT)以及RAM块(EBR),这种协处理功能利用并行方法,针对具体应用以最优成本对功能和性能进行裁剪。低电压差分信号(LVDS)和串行解串器(SERDES)可支持高速芯片至芯片接口,如HyperTransport、PCI Express或串行RapidIO。能够安全地保护知识产权。

图2显示了一个满足这些要求的FPGA解决方案。FPGA被连接到主CPU、图像处理芯片、用户接口和诸如无线以太网的其它关键ASSP。FPGA模块执行协处理功能和硬件加速,并具有实现未来功能所必需的定制逻辑,这些功能是针对用户接口或控制台的其它部分。

DSP协处理和硬件加速

尽管低成本FPGA通常工作在小于300MHz的系统时钟频率下,但通过并行地执行串行功能仍然可实现很高的DSP吞吐量(63,000MMAC)。例如,某个应用要求具有100MS/s采样率的32抽头FIR滤波器,那么需要带有4个乘法器的通用DSP处理器以800MHz计算乘累加。具有32个乘法器的FPGA能够在100MHz实现相同的滤波器。

与乘法器一样,能够灵活地利用FPGA的并行特性有益于存储器访问。片上分布式存储器可用来构建小容量高性能临时存储器,而片上嵌入式存储块可用来构建大容量高性能存储器。DDR DRAM等片外存储器则可以提供大容量、高性能存储器

高速的芯片至芯片互连

FPGA通过高速的芯片至芯片互连技术与GPU和CPU连接,这些技术包括HyperTransport、PCI Express或串行RapidIO。串行RapidIO和PCI Express是串行而非并行技术,即串行地发送数据,并通过LVDS以数据包的形式恢复数据,而不是一次恢复一位。从并行到串行接口的转换系统可用较少的线路达到同样的高速数据速率。

FPGA器件在游戏控制台设计中的应用

源同步和时钟数据恢复接口

HyperTransport是一个源同步接口,而PCI Express和串行RapidIO采用时钟数据恢复(CDR)技术,如下表所示。对于源同步接口而言,传送方提供数据和差分时钟,这样就能较容易地在高达700Mbps的数据速率捕获数据。

源同步和时钟数据恢复接口。

当数据速率超过700Mbps时,数据通道之间的偏移成为数据有效窗的重要部分,特别是对宽数据通道而言。有些FPGA具有自动对齐功能,能够针对源同步接口管理数据偏移,从而有助于它们达到超过800Mbps的LVDS数据速率(有些情况下高达2Gbps)。

对于CDR接口而言,并没有提供额外的差分时钟。取而代之的是时钟包含在串行数据包中,必须从数据中恢复出来。因此,对于CDR来说时钟偏移不是一个问题,这与源同步不同。利用SERDES高速串行地发送数据包,CDR接收器将对数据本身锁定相位以取得时钟。

对于CDR而言,在高速情况下,SERDES抖动是主要问题。抖动是指期待数据传输的位置发生了变化,使得难以准确地接收到数据包。如图3所示的眼图,抖动使得围绕眼睛的黄色带的宽度发生变化,图中用红色表示。

FPGA器件在游戏控制台设计中的应用

图3:CDR眼图。

有些抖动是随机的,但大部分抖动是确定性的,是由于其它信号以及靠近数据信号的半导体元件的开关操作引起,或者是由数据模式的特性、传输的不平衡上升及下降时间所引起。

安全配置和现场升级

游戏控制台往往是电脑黑客攻击的目标,因此FPGA不应该在配置期间给系统引入额外的弱点。对于基于SRAM的FPGA而言,配置数据通常来自外部的非易失存储器。为保护该数据,一些FPGA加入了内置的128位AES加密引擎。面向AES的FPGA解密密钥采用一次性可编程(OTP)熔丝编程。OTP密钥是非易失的,且一旦密钥被编程就不能修改,从而可阻止黑客用逆向工程探寻FPGA内部的功能。

此外,FPGA能帮助设计者桥接ASSP功能与图像处理器或系统处理器。桥接的例子包括无线以太网(802.11)和用户接口控制逻辑。定制的用户接口逻辑有助于将游戏控制台与竞争产品区分。用FPGA解决方案可以桥接或控制这两种功能。

成功的策略

根据Booz Allen Hamilton公司今年三月发布的报告,Darden商业研究生院的Tim Laseter在2007年的一项研究认为,许多成功的公司并非是最先进入某个领域的先行者,而是能够发现更多资源的后来者。例如,在Xbox 360和PS3之后,任天堂公司发布了不具有高清晰图像的Wii游戏机。但是,采用Wii游戏控制台的人数在不断增加,因为这种游戏控制台具有运动敏感的控制器和受家庭喜爱的游戏主题。

研究得出的结论是,在各种不同的技术中,多个小实验能够产生对如何创造价值的更多认识。我们不可能在当前就准确地知道客户将来需要什么特性,或者硬件设计是否有小故障,或者主要的可靠性问题。由于“广泛的硬件故障”,微软公司花费了10亿多美元来修补Xbox 360控制台并将其纳入保修范围。

在游戏控制台设计中采用FPGA可对硬件功能进行一些小实验,从而有助于未来验证游戏控制台的设计。设计集成了一个可选的连接器用来连接至FPGA,并能够实现未来的特性,或者FPGA可以通过以太网进行连接,从互联网下载新的位流并实现新的功能。这些实验可能还包括对人工智能、DVD倍线功能、附加的家长控制功能和新型用户接口的测试。

市场要求所有设计游戏控制台的公司能够以尽可能低的制造实现更多的特性。如果设计出来的产品未加入重要的特性或灵活的接口,这些公司将会蒙受亿万美元的损失,更糟的是,产品可能根本没有市场需求。

现在很有机会将一些小型的技术革新加入游戏控制台系统,以支持未来将发生的变化,或者用硬件而不仅仅是固件来试验新的特性。构筑一个在游戏控制台中支持PCI Express、HyperTransport或串行RapidIO、LVDS和DSP的安全FPGA使得这些技术革新都有发展机会。

LatticeECP2M FPGA系列产品可支持许多这方面的要求,包括AES加密位流、PCI Express、LVDS、DSP以及可编程逻辑,以支持多种接口标准和定制功能。此外,由于支持多个DSP知识产权核和MATLAB Simulink,也使设计更加方便。

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TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
发表于 09-19 16:35 15次 阅读
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
发表于 09-18 16:05 19次 阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

LM45 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM45系列是精密集成电路温度传感器,其输出电压与摄氏(摄氏)温度成线性比例。 LM45不需要任何外部校准或微调,即可在室温下提供±2°C的精度,在整个-20至+ 100°C的温度范围内提供±3°C的精度。通过晶圆级的修整和校准确保低成本。 LM45的低输出阻抗,线性输出和精确的固有校准使得与读出或控制电路的接口特别容易。它可以与单个电源一起使用,也可以与正负电源一起使用。由于它的电源消耗仅为120μA,因此自然发热非常低,静止空气中的自热温度低于0.2°C。 LM45的额定工作温度范围为-20°至+ 100°C。 特性 直接以摄氏度(摄氏度)校准 线性+ 10.0 mV /°C比例因子 < li>±3°C精度保证 额定为-20°至+ 100°C范围 适用于远程应用 由于晶圆造成的低成本-Llevel Trimming 工作电压范围为4.0V至10V 电流消耗小于120μ 低自热,静止空气中为0.20°C 非线性仅±0.8°C最大温度 低阻抗输出,20 mA...
发表于 09-17 16:30 136次 阅读
LM45 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM62 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM62是一款精密集成电路温度传感器,可在+ 3.0V单电压下工作,检测0°C至+ 90°C温度范围供应。 LM62的输出电压与摄氏(摄氏)温度(+15.6 mV /°C)成线性比例,并具有+480 mV的直流偏移。偏移允许读取温度低至0°C而无需负电源。在0°C至+ 90°C的温度范围内,LM62的标称输出电压范围为+480 mV至+1884 mV。 LM62经过校准,可在室温和+ 2.5°C /-2.0°C范围内提供±2.0°C的精度,温度范围为0°C至+ 90°C。 LM62的线性输出,+ 480 mV偏移和工厂校准简化了在需要读取温度低至0°C的单电源环境中所需的外部电路。由于LM62的静态电流小于130μA,因此在静止空气中自热仅限于0.2°C。 LM62的关断功能是固有的,因为其固有的低功耗允许它直接从许多逻辑门的输出供电。 特性 校准线性比例因子+15.6 mV /°C 额定0°C至+ 90°C适用于远程应用的3.0V电压范围   关键规格 25°C±2.0或±3.0°时的精度C(最大) ...
发表于 09-17 15:48 20次 阅读
LM62 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM235 模拟输出温度传感器,军用级,采用气密性 TO 封装

LM135系列是精密,易于校准的集成电路温度传感器。作为双端齐纳二极管,LM135的击穿电压与10 mV /°K时的绝对温度成正比。该器件的动态阻抗小于1Ω,工作电流范围为400μA至5 mA,性能几乎没有变化。在25°C下校准时,LM135在100°C温度范围内的误差通常小于1°C。与其他传感器不同,LM135具有线性输出。 LM135的应用包括几乎任何类型的温度检测,温度范围为-55°C至150°C。低阻抗和线性输出使得与读出或控制电路的接口特别容易。 LM135工作温度范围为-55°C至150°C,而LM235工作温度范围为?? 40° C至125°C的温度范围。 LM335的工作温度范围为-40°C至100°C。 LMx35器件采用密封TO晶体管封装,而LM335也采用塑料封装 特性 直接校准至开尔文温度   1°C初始准确度 工作电流范围为400μA至5 mA 小于1Ω动态阻抗 轻松校准 宽工作温度范围 200 °C超范围 低成本 ...
发表于 09-13 14:35 33次 阅读
LM235 模拟输出温度传感器,军用级,采用气密性 TO 封装

LOG2112 片上电压参考为 2.5V 的精密对数和对数比放大器

LOG112和LOG2112是多功能集成电路,可计算输入电流相对于参考电流的对数或对数比。 LOG112和LOG2112的V LOGOUT 被调整为每十倍输入电流0.5V,确保在宽动态范围的输入信号上具有高精度。 LOG112和LOG2112具有2.5V基准电压源,可用于使用外部电阻产生精密电流基准。 低直流偏移电压和温度漂移可在指定温度范围内精确测量低电平信号。 °C至+ 75°C。 特性 易于使用的完整功能 输出缩放放大器 片上2.5V电压参考 高精度:0.2%FSO超过5个十年 宽输入动态范围: 7.5十年,100pA至3.5mA 低电流电流:1.75mA 宽电源范围:±4.5V至±18V 封装:SO-14(窄)和SO-16 应用 日志,日志比率: 通信,分析,医疗,工业,测试,一般仪器 光电信号压缩放大器 模拟信号压缩模拟前后的模拟信号压缩-DIGITAL(A /D)转换器 吸光度测量 ...
发表于 09-06 17:29 50次 阅读
LOG2112 片上电压参考为 2.5V 的精密对数和对数比放大器

LMX2485Q-Q1 用于射频个人通信的汽车类 Δ-Σ 低功率双路 PLL

LMX2485Q-Q1是一款带有辅助性整数N PLL的低功耗,高性能Δ-Σ分数N PLL。该器件采用TI高级工艺制造。 凭借Δ-Σ架构,低偏移频率下的分数杂波被推至回路带宽之外的更高频率。将杂波和相位噪声能量推至更高频率的能力是调制器阶数功能的直接体现。与模拟补偿不同,LMX2485Q-Q1采用的数字反馈技术对于温度变化和晶圆制造工艺变化的抗扰度较高.LMX2485Q-Q1Δ-Σ调制器经编程最高可达四阶,允许设计人员根据需要选择最优调制器阶数,从而满足系统对于相位噪声,杂波和锁定时间的要求。 对LMX2485Q-Q1进行编程的串行数据通过三线制高速(20MHz)MICROWIRE接口进行传输.LMX2485Q-Q1提供精确的频率分辨率,低杂波,快速编程以及改变频率的单字写入功能。这使其成为直接数字调制应用的理想选择。此类应用的N计数器通过信息直接调制.LMX2485Q-Q1采用4.0mm×4.0mm×0.8mm 24引脚超薄型四方扁平无引线(WQFN)封装。 特性 实现低分频系数分频的四模预分频器 射频(RF)锁相环(PLL ):8/9/12/13或16/17/20/21 中频(IF)PLL:8/9或16/17 < li>高级Δ-Σ分频补偿 12位或22位可选分频模量 最高可...
发表于 08-06 17:13 170次 阅读
LMX2485Q-Q1 用于射频个人通信的汽车类 Δ-Σ 低功率双路 PLL

LMX2615-SP 具有相位同步功且支持 JESD204B 的航空级 40MHz 至 15GHz 宽带合成器

LMX2615-SP是一款高性能宽带锁相环(PLL),集成了电压控制振荡器(VCO)和稳压器,可输出40MHz的任何频率和没有倍频器的15 GHz,无需½谐波滤波器。此设备上的VCO覆盖整个八度音程,因此频率覆盖范围可达40 MHz。高性能PLL具有-236 dBc /Hz的品质因数和高相位检测器频率,可以实现非常低的带内噪声和集成抖动。 LMX2615-SP允许用户同步设备的多个实例的输出。这意味着可以从任何用例中的设备获得确定性阶段,包括启用分数引擎或输出分频器的设备。它还增加了对生成或重复SYSREF(符合JESD204B标准)的支持,使其成为高速数据转换器的理想低噪声时钟源。 该器件采用德州仪器制造?先进的BiCMOS工艺,采用64引脚CQFP陶瓷封装。 特性 辐射规格 单一事件闩锁> 120MeV-cm 2 /mg < /li> 总电离剂量达到100krad(Si) 40 MHz至15 GHz输出频率 -110 dBc /Hz相位采用15 GHz载波的100 kHz偏移噪声 8 GHz(100 Hz至100 MHz)时54 fs RMS抖动 可编程输出功率 PLL关键规格 品质因数:-236 dBc /Hz 归一化1 /f噪声:-129dBc /Hz 高达200 MHz相位检测器频率< /li> 跨多个设...
发表于 08-03 17:56 92次 阅读
LMX2615-SP 具有相位同步功且支持 JESD204B 的航空级 40MHz 至 15GHz 宽带合成器