張昆

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 030006）

FPGA在可穿戴計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

張昆

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 030006）

伴隨著科技的進(jìn)步以及人們的需求，可穿戴計(jì)算機(jī)正進(jìn)入蓬勃發(fā)展的機(jī)遇期。本文在分析了可穿戴計(jì)算機(jī)組成的基礎(chǔ)上，結(jié)合可穿戴計(jì)算機(jī)目前使用的一些技術(shù)以及FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)的特殊性，闡述了FPGA在可穿戴計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

可穿戴計(jì)算機(jī)；FPGA；應(yīng)用

1 可穿戴計(jì)算機(jī)特點(diǎn)及組成

可穿戴計(jì)算機(jī)目前仍沒(méi)有確切的定義。加拿大多倫多大學(xué)的史蒂夫曼恩教授在1998年國(guó)際可穿戴計(jì)算機(jī)會(huì)議上曾給出過(guò)一個(gè)相對(duì)完整的定義：可穿戴計(jì)算機(jī)是指包容于用戶個(gè)人空間，為用戶所控制，同時(shí)具有持續(xù)操作、持續(xù)交互的計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)應(yīng)具備動(dòng)態(tài)性、自主性、可控性、持續(xù)性及模塊化等基本特征。

可穿戴計(jì)算機(jī)一般由主機(jī)子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、輸入輸出子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和支撐子系統(tǒng)[1]構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 可穿戴計(jì)算機(jī)組成圖

可穿戴計(jì)算機(jī)與使用者相互依存，長(zhǎng)時(shí)間佩戴于使用者身上，不斷與使用者之間進(jìn)行人機(jī)交互，這對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)的體積和重量以及可穿戴計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間都提出了較高的要求。處于對(duì)體積和重量的考慮，可穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)盡可能采用單一的總線結(jié)構(gòu)降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以減小系統(tǒng)的體積和重量。同時(shí)，為了保障可穿戴計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能降低系統(tǒng)的功耗，同時(shí)提高電源子系統(tǒng)的容量和性能。

2 FPGA簡(jiǎn)介

FPGA是一種硬件可編程的器件，其作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。FPGA解決了解決定制電路的不夠靈活的缺點(diǎn)，又克服了PLD等門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。它體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯單元靈活、集成度高且適用范圍廣。FPGA采用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，能完成多種不同的數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74系列電路。進(jìn)入21世紀(jì)，深亞微米工藝和架構(gòu)的發(fā)展有力推動(dòng)了FPGA性能和通用性的增強(qiáng)，并且顯著降低了成本和功耗。目前FPGA具有的這些種種特殊之處使得它能夠在可穿戴電子設(shè)備中發(fā)揮多種作用。

3 FPGA在可穿戴計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

3.1 FPGA實(shí)現(xiàn)嵌入式微處理器

可穿戴計(jì)算機(jī)是特定專用的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)決定了它的微處理器要求的特殊性。FPGA具有高度的可編程性和靈活性，可以實(shí)現(xiàn)不同的、性能各異的、滿足用戶需求的嵌入式微處理器。國(guó)際上主要的FPGA廠商都進(jìn)行了CPU核的設(shè)計(jì)，用于FPGA中，如Xilinx提供的microblazecpu核和Altera提供的niosII cpu核。另外，目前有各種研究采用FPGA進(jìn)行微處理器的設(shè)計(jì)。

在FPGA設(shè)計(jì)之初，F(xiàn)PGA成本較高，常被作為產(chǎn)品的初代設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品功能的驗(yàn)證，或者作為小批量產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)工具。當(dāng)今FPGA制造成本已經(jīng)降低，它仍然可以實(shí)現(xiàn)它最初的功能。只不過(guò)，它可以不再只作為初代設(shè)計(jì)工具，而是在產(chǎn)品中大規(guī)模使用。

3.2 FPGA作為協(xié)處理器

隨著可穿戴計(jì)算機(jī)越來(lái)越普遍，IC廠商也推出了許多種應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域的微處理器。這些處理器在功能上和性能上都有其獨(dú)特之處，許多可穿戴設(shè)備制造商寧愿采用現(xiàn)成的微處理器而不愿或不能親自去設(shè)計(jì)。這些微處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)管理外部傳感器。但是，使用這些微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)外設(shè)的管理會(huì)浪費(fèi)寶貴的I/O資源，而且一般會(huì)要求處理器長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，這種做法無(wú)疑會(huì)增大可穿戴計(jì)算機(jī)的功耗。

FPGA具有靈活配置的功能，可以實(shí)現(xiàn)外設(shè)管理功能并可以實(shí)現(xiàn)多種不同的接口。這樣，F(xiàn)PGA就可以連接不同外設(shè)，接受外部數(shù)據(jù)，并在沒(méi)有處理器干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)這些外設(shè)的管理。FPGA作為協(xié)處理器功能能夠減輕應(yīng)用處理器的工作負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗。

具體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA是如何作為協(xié)處理器來(lái)減輕處理器負(fù)擔(dān)的？當(dāng)某一個(gè)外設(shè)在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的中斷給應(yīng)用處理器，而處理器又來(lái)不及處理時(shí)，或者當(dāng)系統(tǒng)中帶有多個(gè)外設(shè)，它們?cè)诤芏虝r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量中斷，嚴(yán)重影響處理器性能時(shí)，通過(guò)FPGA對(duì)這些中斷進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，按照優(yōu)先級(jí)將中斷依次傳送給處理器，減輕處理器的負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)性能。

3.3 FPGA實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展及轉(zhuǎn)換功能

在進(jìn)行可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)采用各種不同類型的傳感器或其他外設(shè)，以使計(jì)算機(jī)具備更多的功能，更能滿足消費(fèi)者的需求。但是這些傳感器或外設(shè)接口可能復(fù)雜多樣，接口電壓也是參差不齊。在處理這些傳感器接口時(shí)，處理器本身就會(huì)具有許多限制。

FPGA具有完全可配置的功能，另外FPGA廠商還會(huì)提供多種不同的標(biāo)準(zhǔn)的IP核應(yīng)用于FPGA。這些現(xiàn)有的基本的資源可以降低設(shè)計(jì)的難度、縮短設(shè)備的開發(fā)時(shí)間，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，最為關(guān)鍵的是，處理器可以通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)與各種不同的傳感器及其他外設(shè)的連接，不會(huì)出現(xiàn)接口不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，更不需要使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)換芯片去實(shí)現(xiàn)橋接功能。

3.4 上電情況及上電時(shí)序控制

可穿戴計(jì)算機(jī)可能工作在待機(jī)模式或者正常工作模式。在這兩種模式下，可穿戴計(jì)算機(jī)的供電情況是不一樣的。另外，對(duì)于微處理器而言，一般在上電時(shí)，會(huì)對(duì)上電時(shí)序有要求。采用FPGA實(shí)現(xiàn)控制邏輯，可以容易而且合理的實(shí)現(xiàn)可穿戴計(jì)算機(jī)的電源上電情況及上電時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)電源的合理管理，降低整個(gè)穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)的這些特殊之處做了較為詳細(xì)地介紹，并就這些特殊性探討了FPGA在可穿戴計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。FPGA憑借其靈活的可編程性能，在可穿戴計(jì)算機(jī)的微處理器、協(xié)處理器、外設(shè)接口功能實(shí)現(xiàn)及電源管理等方面都可以發(fā)揮不可限量的作用。

[1]蒲旺，黎桂岑，黃志奇.可穿戴計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32.

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2016-3-15