获得即时FPGA的好处

文章：TED Marena，Microsemi

系统由具有各种相互依赖性和众多电压和接口的多个组件组成，设计器的任务是确保所有这些元素一起工作。这可以简单，确保电源被正确测序，但这通常只是起点。一些板要求在启动时执行自检。处理器可能需要重置，直到加载SRAM现场可编程门阵列（FPGA）或电源轨达到适当的级别。因此，为系统的关键路径选择即时设备是至关重要的，以便实现正确的初始化和系统操作。

但是，设备是即时的它是什么意思？如下面的说明所示，即时设备在系统电压达到其最小电平之前，其被定义为上电阶段。这与仅在上电后运行的设备形成对比。

图1：即时设备电源操作（来源：microSemi）

可以在系统电压的上电曲线的早期点操作的半导体被认为是即时的。一些架构（如智能手机和PC）都是非常结构化的，具有专用设备来支持系统初始化，但这些固定系统初始化设备对大多数嵌入式设计不足。万博投注网址虽然可以使用一些测序和监视设备，但通常存在许多必须支持的许多功能。因此，许多设计人员选择使用大型复杂的可编程逻辑设备（CPLD）或即时的FPGA。

从20世纪90年代到2000年代中期，CPLD是众多嵌入式电路板的主干。这些器件的配置是由用于设备中所有逻辑的电可擦除的互补金属氧化物半导体（EECMOS）或闪存单元。这些直接控制的单元允许设备立即上电 - 通常大约数百微秒。当设备在少于毫秒的设备时，设计人员可以可靠地依赖初始化系统，控制耗材的能力，请将处理器保持复位等。广泛使用CPLD，主要是由于这种瞬间的能力。

到2000年代中期，不开发额外的CPLD器件，焦点移动到小型FPGA，比CPLD更具成本效益和功能丰富，轻松更换旧设备。新一代的小型FPGA被声称是即时的，并具有两种不同类型的架构。一个类似于CPLD，因为它使用闪光灯直接控制逻辑配置，这意味着闪存单元直接配置了逻辑元素，并使设备电源上电时间远低于毫秒。其他架构是混合动力车，有时被称为“侧面闪光”。这实际上是一个也包含闪存的SRAM设备。

通常，基于闪存的FPGA提供了基于SRAM的FPGA的各种优点，对于需要即时的设计，即使SRAM FPGA通过闪光灯侧的能力增强，这尤其如此。万博投注网址“侧面上的Flash”设备将FPGA的SRAM部分初始化为应用电源，这导致近在于即时 - 逐步，但由于需要加载SRAM，启动位于几毫秒的范围内（取决于密度）。这些设备使得有时被称为“在上电后直播”的能力。对于某些设计，这些万博投注网址混合设备可用于初始化板，但如果使用这些部件，则必须采取额外的小心。

对于需要万博投注网址真实即时能力的设计，FPGA必须具有直接配置逻辑元素的闪存单元。只有基于闪存的FPGA可用于通过消除额外的电源和初始化电路来驱动总系统成本。在许多系统中，它们是唯一可以帮助系统启动任务，系统配置和监控的唯一设备，这可能会节省总系统成本。

此外，某些电池供电的应用可以从基于闪存的FPGA的即时功能受益匪浅，因为它们更快地上升和下降，并且在闪存的急流或初始化电流中没有同样的尖峰 -侧SRAM FPGA消耗。基于闪存的FPGA的另一个好处是它们对单一事件不适（SEU）配置发生变化。相比之下，所有SRAM FPGA（包括沿着侧面的混合动力车）都易于在大气中的颗粒对其从1到0或0翻转它们的值，这可能会影响逻辑设计和原因意外功能或完整的系统故障。基于SRAM的替代品的基于闪存的FPGA的许多优点使其成为安全关键，工业，汽车，医疗，军事和其他需要立即运行的应用的最佳解决方案，以及降低总系统成本。

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了解电源级分类

上电阶段通常分为三类：即时（0级），电源启动（1级），并在电源稳定和系统启动后直播（级别2）。在0级，设备在上电和上电（施加电压达到系统电压下限的时间和稳定的时间）之间运行。诸如ASIC，一些assps和基于闪存的FPGA等设备，FICSEMI适合0类别。1级设备需要从内存下载配置，但在系统初始化之前都是可操作的;此类别中的设备包括Assps和侧面FPGA，如来自Altera和格子的侧面FPGA。2级设备仅在系统时钟初始化之后运行，重置，接口和存储器，并包括基于大多数基于SRAM的FPGA和处理器。

表1：上电阶段分类（来源：Microsemi）

此分类系统可帮助设计人员为其应用程序选择合适的可编程逻辑设备，同时考虑到系统上电阶段的操作和功能。

基于Volatile SRAM的FPGA使系统启动复杂且昂贵，因为它们需要在运行之前从内部或外部存储器加载配置数据。相比之下，即时FPGA简化了应用启动，降低了总系统成本，PCB尺寸和功耗，并提高了系统可靠性和安全性。这些即时FPGA可以实现与SRAM FPGA相同的功能，但简化了设计，因为它们执行所有初始化功能并实现电路板上所需的所有逻辑。这些闪存设备消除了工程师对上电时间是一个问题的担忧，就像闪存的侧面FPGA一样。后者也消耗更多的电源，易于SU失败，并比基于闪存的FPGA的真正即时的FPGA从更长的增加。这些SRAM FPGA缺点可能要求设计人员使用其他组件或使其他系统妥协。

下表提供了两个架构在类似密度的比较。

表2：上电时序：基于闪存的与闪存在旁边和基于SRAM的FPGA（资料来源：Microsemi）

即时FPGA通过提供真正即时启动时间来消除对电路板初始化和上电排序的担忧。基于闪存的FPGA在必须控制的任何内容之前都升起并运行。这简化了设计并通过消除需要额外的万博投注网址组件来减少材料清单（BOM）成本。基于闪存的即时FPGA解决了设计这些启动功能的设计系统的挑战，同时也能够实现传统的FPGA功能。即时函数 - 较低的功耗，SEU免疫力和额外集成能力的好处 - 对于广泛的设计至关重要。万博投注网址

-Ted Marena是MicroSemi的FPGA / SoC营销总监。他在FPGA拥有超过20年的经验。以前的Marena在业务发展，产品和战略营销方面举办了作用。

文章最初发布于[嵌入式网关]（https://www.embedded.com/design/power-optimization/4458906/2/teaping-the-benefits-of-instant-on-fpgas-）。