FPGA在可穿戴计算机领域的应用

张昆

（北方自动控制技术研究所 030006）

FPGA在可穿戴计算机领域的应用

张昆

（北方自动控制技术研究所 030006）

伴随着科技的进步以及人们的需求，可穿戴计算机正进入蓬勃发展的机遇期。本文在分析了可穿戴计算机组成的基础上，结合可穿戴计算机目前使用的一些技术以及FPGA设计技术的特殊性，阐述了FPGA在可穿戴计算机领域的应用前景。

可穿戴计算机；FPGA；应用

1 可穿戴计算机特点及组成

可穿戴计算机目前仍没有确切的定义。加拿大多伦多大学的史蒂夫曼恩教授在1998年国际可穿戴计算机会议上曾给出过一个相对完整的定义：可穿戴计算机是指包容于用户个人空间，为用户所控制，同时具有持续操作、持续交互的计算机。这种计算机应具备动态性、自主性、可控性、持续性及模块化等基本特征。

可穿戴计算机一般由主机子系统、显示子系统、通信子系统、输入输出子系统、电源子系统和支撑子系统[1]构成，如图1所示。

图1 可穿戴计算机组成图

可穿戴计算机与使用者相互依存，长时间佩戴于使用者身上，不断与使用者之间进行人机交互，这对可穿戴计算机的体积和重量以及可穿戴计算机的工作时间都提出了较高的要求。处于对体积和重量的考虑，可穿戴计算机应尽可能采用单一的总线结构降低硬件系统的复杂性，简化系统结构，以减小系统的体积和重量。同时，为了保障可穿戴计算机的工作时间，在系统设计时，应尽可能降低系统的功耗，同时提高电源子系统的容量和性能。

2 FPGA简介

FPGA是一种硬件可编程的器件，其作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的。FPGA解决了解决定制电路的不够灵活的缺点，又克服了PLD等门电路数有限的缺点。它体系结构简单、逻辑单元灵活、集成度高且适用范围广。FPGA采用硬件描述语言实现内部逻辑设计，可实现较大规模的电路，能完成多种不同的数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74系列电路。进入21世纪，深亚微米工艺和架构的发展有力推动了FPGA性能和通用性的增强，并且显著降低了成本和功耗。目前FPGA具有的这些种种特殊之处使得它能够在可穿戴电子设备中发挥多种作用。

3 FPGA在可穿戴计算机中的应用

3.1 FPGA实现嵌入式微处理器

可穿戴计算机是特定专用的计算机，其特点决定了它的微处理器要求的特殊性。FPGA具有高度的可编程性和灵活性，可以实现不同的、性能各异的、满足用户需求的嵌入式微处理器。国际上主要的FPGA厂商都进行了CPU核的设计，用于FPGA中，如Xilinx提供的microblazecpu核和Altera提供的niosII cpu核。另外，目前有各种研究采用FPGA进行微处理器的设计。

在FPGA设计之初，FPGA成本较高，常被作为产品的初代设计进行产品功能的验证，或者作为小批量产品的原型设计工具。当今FPGA制造成本已经降低，它仍然可以实现它最初的功能。只不过，它可以不再只作为初代设计工具，而是在产品中大规模使用。

3.2 FPGA作为协处理器

随着可穿戴计算机越来越普遍，IC厂商也推出了许多种应用于可穿戴领域的微处理器。这些处理器在功能上和性能上都有其独特之处，许多可穿戴设备制造商宁愿采用现成的微处理器而不愿或不能亲自去设计。这些微处理器具有强大的计算能力来管理外部传感器。但是，使用这些微处理器来实现外设的管理会浪费宝贵的I/O资源，而且一般会要求处理器长时间处于工作状态，这种做法无疑会增大可穿戴计算机的功耗。

FPGA具有灵活配置的功能，可以实现外设管理功能并可以实现多种不同的接口。这样，FPGA就可以连接不同外设，接受外部数据，并在没有处理器干预的情况下实现对这些外设的管理。FPGA作为协处理器功能能够减轻应用处理器的工作负担，提升系统性能，降低系统功耗。

具体来说，FPGA是如何作为协处理器来减轻处理器负担的？当某一个外设在很短的时间内产生大量的中断给应用处理器，而处理器又来不及处理时，或者当系统中带有多个外设，它们在很短时间内产生大量中断，严重影响处理器性能时，通过FPGA对这些中断进行存储和管理，按照优先级将中断依次传送给处理器，减轻处理器的负担，提升系统性能。

3.3 FPGA实现接口扩展及转换功能

在进行可穿戴计算机设计时，会采用各种不同类型的传感器或其他外设，以使计算机具备更多的功能，更能满足消费者的需求。但是这些传感器或外设接口可能复杂多样，接口电压也是参差不齐。在处理这些传感器接口时，处理器本身就会具有许多限制。

FPGA具有完全可配置的功能，另外FPGA厂商还会提供多种不同的标准的IP核应用于FPGA。这些现有的基本的资源可以降低设计的难度、缩短设备的开发时间，增强产品的竞争力。同时，最为关键的是，处理器可以通过FPGA实现与各种不同的传感器及其他外设的连接，不会出现接口不对应的问题，更不需要使用复杂的转换芯片去实现桥接功能。

3.4 上电情况及上电时序控制

可穿戴计算机可能工作在待机模式或者正常工作模式。在这两种模式下，可穿戴计算机的供电情况是不一样的。另外，对于微处理器而言，一般在上电时，会对上电时序有要求。采用FPGA实现控制逻辑，可以容易而且合理的实现可穿戴计算机的电源上电情况及上电时序控制，实现电源的合理管理，降低整个穿戴计算机系统的功耗。

4 结束语

本文针对可穿戴计算机的这些特殊之处做了较为详细地介绍，并就这些特殊性探讨了FPGA在可穿戴计算机领域的应用。FPGA凭借其灵活的可编程性能，在可穿戴计算机的微处理器、协处理器、外设接口功能实现及电源管理等方面都可以发挥不可限量的作用。

[1]蒲旺，黎桂岑，黄志奇.可穿戴计算机硬件结构研究[J].电子科技大学学报，2010，39.

[2]杨海钢，孙嘉斌，王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报，2010，32.

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1004-7344（2016）10-0285-01

2016-3-15