如何使用FPGA对系统设计实现有效管理

随着工艺几何尺寸越来越小，电子器件趋向于采用多种电压供电，因此越来越易受到电压和温度波动的影响，而且在所有电子系统设计中进行系统管理的重要性也不断增强。表面上好象无关的一系列任务其实都是以确保系统的正常运作为目标，系统管理任务的重点就是使系统正常运行的时间长、识别并传送报警条件，以及记录数据和报警的情况。面对由标准驱动的市场，OEM 厂商若要脱颖而出，当中的关键要素是产品的可靠性和正常运行时间。
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目前系统管理的实现使用大量分立器件
现今系统管理的实现需要大量的分立元器件 （有时数以百计），这种由各种固定功能芯片 （图1） 和分立元件——如 CPLD、实时时钟、上电控制器件、温度监测器、风扇控制器、非易失性存储器、PWM 和配置存储器——构成的系统占用了大量的电路板空间，而它们必须协调地工作才能创建紧密的解决方案。除了占用电路板空间之外，大量的元件既增加直接成本 （单元成本、装配成本和库存成本），又增加非直接成本 （设计时间、完成时间和终止时间）。此外，这些由硬件实现的分立解决方案常常需要因为日渐增加的设计变更而更改元件和/或重新设计电路板，这就需要昂贵且耗时的重新质量，使到工程师难以创造平台解决方案。
系统管理的替代方法
因为系统管理不是典型板级设计的主要目的，其实现常常会受到忽视。采取反应性的系统管理方法 （针对每项个别任务），将带来高成本和高元件数量问题。然而，如果事先考虑周到的话，设计工程师利用现场可编程门阵列 （FPGA） 技术便能轻易开发系统管理解决方案。
FPGA持续以超越市场平均发展水平的速度增长，在许多应用中取代了专用集成电路 （ASIC）。然而，用户对FPGA解决方案必须加以仔细考虑。尽管它们能够提供灵活性和可重编程能力，但是，以SRAM为基础的FPGA需要大量的处理以保持正常运作。上电时，以SRAM为基础的FPGA必须根据其设计进行配置，并常常需要进行电压上电顺序控制，以防止编程错误或其它片上问题。利用以 SRAM为基础的解决方案还要进行欠压检测，因为以基于SRAM结构的 FPGA是易失性器件，用户必须确保配置存储器不会因电压下降而扰乱。对于许多以SRAM为基础的FPGA来说，低到60mV的电压变化就足以使器件进入未知状态，因此，需要将系统复位。
利用以基于 Flash结构的非易失性FPGA技术就可以避免这些问题。以 Flash 为基础的混合信号FPGA （如Actel的 Fusion可编程系统芯片） 可以执行许多系统管理任务，并提供单芯片实现方案，因而在维持系统可靠性的前提下取代许多分立元件并缩小电路板的空间，同时把成本至少减半。这些平台中只有一种能够集成和执行所有的系统管理功能，并消除目前系统管理中面临的“痛苦”和负担。此外，集成了混合信号解决方案的 Flash 容许设计工程师为许多不同类型的FPGA而存储设计文件，所以毋需在电路板上采用独立的配置PROM。再者，与其它可重编程FPGA解决方案相类似，可配置及灵活的混合信号FPGA器件使到设计变更更易于实现，而不论是在开发过程中或是投入使用之后。
电源管理
电源管理是受公认的系统管理功能之一。系统管理的任务包括上电检测和复位、上电排序、电压监测和微调、电流监测等。因为系统中所有的电源轨都没有被初始化，电源管理解决方案必须上电即行，且具灵活性，并支持单一高电压电源。由于每块独特的板级设计都具有其自身的一套电源管理要求，电源管理芯片必须具有可配置性，以适应来自板级的独特和时刻变化的要求。
许多系统从单一高电压电源获取电能。例如，夹层卡 （AMC） 常见于先进电信计算架构 （ATCA） 和MicroTCA机架上，通过指定单一的12V电源轨从中引出它们所需的较低电压电源 （即3.3V、1.8V和0.9V）。的电源管理芯片可以直接连接到并监测高电压电源，而不需要外部支持电路。高电压工艺容许在模/数转换器 （ADC） 中采用电压较高的参考源，使到ADC具有较高的动态范围。
工程师可以把特定的上电顺序和斜率编写到FPGA之中。具有模拟前端及上电即行能力并以Flash 为基础的FPGA有高度灵活性，可以重复编程并支持到高压信号的直接连接。此外，由于混合信号FPGA能够方便地支持相同封装引脚的多种功能，因此可根据系统要求在某些引脚上进行电流监测，或把某些引脚配置为电压监测器。
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热管理
维持适当的环境工作状况是系统管理的一个关键要素。当今的智能系统不仅监测和管理热状况，还会分配系统的数据流量和数据装载，以便更好地平衡系统及提高性能。利用一体化的温度监测能力，混合信号 FPGA 容许设计工程师方便和有效地维持的系统状况，从而延长正常运行时间，并通过进一步减少元件和降低成本来提高性能。当今的混合信号 FPGA 解决方案还能够方便地监测多 10 个远端的温度，从而增强这些器件作为的热管理解决方案的地位。遥测温度的功能使工程师不仅能够跟踪电源转换器、入口或出口空气的温度，而且能够检测耗电的 FPGA 及处理器。除此之外，这些器件能够处理风扇控制，以执行闭环的热管理。
诊断和预测
尽管涉及一些成本和风险，现今的典型系统常常能够完全维持系统的正常运行。然而，工程师常常需要在不添加元件的前提下跟踪系统的历史性能或故障。诊断和预测 （或者说确定故障模式并预测它们的能力） 正快速成为系统管理的重要元素。当然，对于系统开发来说，读出关于板级系统工作过程的时间戳系统参数或回顾生产之后的故障分析是非常有价值的工作。类似地，当试图识别故障模式及设计弱点的时候，把针对板级系统的“黑盒子”综合起来分析会节省宝贵的时间和人力。
混合信号 FPGA的片上 Flash 为设计工程师提供了能节省时间戳关键的系统参数的能力 — 如电源轨的电流消耗、器件温度和电压轨的波动。该数据不仅可以在故障之后由工程师分析以鉴别故障的根源，而勇于创新的设计工程师正在寻求系统工作期间分析系统趋势的方法。通过分析板级系统生命期内特殊参数的变化，工程师有可能在故障出现之前就对其进行预测，从而延长系统的正常运行时间。
举例说，在采样电机控制应用中，设计工程师可能测量流向线圈及电机转子的电流，以决定什么时候按照已计划好的式样把该设备关停。在工业应用中，因为确定问题的代价不菲，并且从设备关停开始就要损失利润，因此，相比计划关停而言，未经计划关停的成本要高得多。因此，以 Flash 为基础的混合信号FPGA便能让设计工程师在板级系统发生故障之前向维修人员预报故障信息。
对于板级系统设计来说，系统管理功能 （如电源和热管理） 的问题再也不能事后考虑了。现今的分立和固定功能实现方案都会招致高昂的设计成本，更要求不同的元件和板级变更造成较少的设计反复。单芯片、可配置的 FPGA 实现方案是理想的系统管理解决方案。以 Flash 为基础的非易失性混合信号 FPGA 如 Actel 的Fusion PSC 能够减少元件数量、缩小电路板空间及降低系统总成本，从而提高了其可靠性和延长系统正常运行时间。

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