用FPGA實現(xiàn)靈活的汽車電子設計

引言

　　微控制器在汽車和消費類市場上得到了廣泛應用，能夠以相對較低的成本實現(xiàn)系統(tǒng)高度集成。然而，這類產品也有潛在的成本問題。例如，如果元件功能不符合要求，就必須采用外部邏輯、軟件或者其他集成器件來進行擴展。而且，隨著最終市場需求的迅速變化，微控制器會很快過時。許多具有一定數(shù)量專用接口的特殊功能微控制器在經過短期試用后，并不能完全滿足市場需求。因此，系統(tǒng)供應商不得不重新設計硬件和軟件，甚至在某些情況下對處理器內核進行改動。

　　ASSP微控制器面臨的兩難

　　傳統(tǒng)微控制器生產商面臨影響整個市場的兩難問題。微控制器是專用產品，因此，對每一種應用，必須采用新的、不同特性的微控制器。為了能夠以一種微控制器內核結構來應對更廣闊的市場，生產商提供系列微控制器，其型號接口和功能各不相同。這些混合特性在很多時候并不能完全滿足用戶需求，因此，為了擴大客戶群，必須圍繞具體內核結構開發(fā)新的接口和功能。

　　采用老技術以較低的生產成本來實現(xiàn)微控制器時，這種策略非常成功。然而，現(xiàn)在為提高系統(tǒng)集成而采用了最新的工藝技術，這樣，開發(fā)新型微控制器的成本大大增加了。只有很少的客戶有很大的產量需求，這表明專門針對一個客戶來生產這類專用器件并不是可行的商業(yè)行為。為此，新型微控制器趨向于標準產品而不是專用器件，以越來越多的功能，吸引整個市場。雖然這些附加特性使微控制器功能更強，但也大大提高了成本，使其更難應用于對成本敏感的市場，例如汽車和消費類行業(yè)。如果不從根本上著眼芯片功能，則很難解決這個問題。

　　靈活的微控制器解決方案

　　對該問題的解決方案之一是采用FPGA來靈活地實現(xiàn)芯片功能。這些器件大大縮短了工程開發(fā)時間，降低了芯片多次試制的成本，是微控制器有力的替代方案。在設計過程中，FPGA不像微控制器那樣會漏掉某些特性，它可以編程，并能根據(jù)需要進行改寫，快速完成原型開發(fā)，更迅速地將產品推向市場。如果需求變化，即使器件已經應用到產品中，還可以在現(xiàn)場對其進行更新。

　　汽車系統(tǒng)圖像控制器應用就是FPGA優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的一個例子。盡管汽車市場需要低成本FPGA來實現(xiàn)圖像等各種功能，但要采用大量的芯片，因此，在可編程器件中實現(xiàn)復雜功能的成本太高。

　　靈活的微控制器不但性價比好，而且非常切合用戶需求。其性價比之所以好，是因為采用了90nm結構化ASIC――如Altera HardCopy器件作為基本芯片，其功能在大量經過預定義和靈活的構建模塊庫中進行選擇，可以針對客戶需求進行定制。在開發(fā)過程中，HardCopy結構化ASIC與傳統(tǒng)的微控制器不同，它支持從原型FPGA到微控制器的無縫移植。CPU和總線體系結構都是靈活的微控制器方案所獨有的，可以針對專門的客戶應用，以合適的功能和特性映射到設計中。HardCopy系列的優(yōu)點包括：

　　芯片

　　* 比FPGA快50％

　　* 內核功耗比FPGA低70％

　　* 管芯小60%至85％軟件
　
　　* 統(tǒng)一的FPGA和HardCopy設計環(huán)境

　　* 功耗和性能管理工具

　　* 價格低廉，使用方便封裝

　　* 與FPGA引腳至引腳兼容

　　* 低成本產品封裝

　　* 不需要重制電路板

　　RISC CPU

　　這一方案中使用的CPU是Altera Nios II嵌入式處理器，與一般情況不同，它并不固定在預定的芯片中，而是利用實際工具，根據(jù)系統(tǒng)體系結構的要求而自動生成，和整個電路需要的其他邏輯一起裝入FPGA中。這樣，可以根據(jù)專門應用，使用Altera的SOPC Builder工具對處理器內 核進行參數(shù)化設置，以占用最少的邏輯，實現(xiàn)最合適的功能。

　　N ios II處理器采用標準RISC體系結構，具有單獨的地址總線和數(shù)據(jù)總線，都是32位寬。兩種總線通過單獨的緩沖進行工作，還可以在總線系統(tǒng)中進一步分開。最后，由系統(tǒng)設計人員確定代碼和數(shù)據(jù)是使用不同的存儲器，還是放在共享存儲器中。Nios II處理器含有每一處理器的大部分功能單元，設置決定其特性。例如，可以根據(jù)要求來選擇硬件乘法器、桶形移位寄存器和硬件除法器。指令和數(shù)據(jù)緩沖也是如此，其容量大小可以調整，也可以完全不用。

　　總線體系結構

　　傳統(tǒng)上，微控制器一直采用單總線，由仲裁器對總線監(jiān)控，分配資源。這對總線而言非常不利，作為系統(tǒng)的中心資源，很快就成為瓶頸。因此，較新的系統(tǒng)采用了多層總線，特別是多條總線并行工作的SoC。Altera的Avalon總線結構工作原理相似，不同之處在于――其他多層總線中，層數(shù)都是固定不變的，而Avalon可以自由選擇所需要的層數(shù)。

　　考慮到EMC和功耗問題，有時可以采用與系統(tǒng)其他部分運行速率不同的外圍模塊。當以更高的速率運行存儲器接口，訪問時間相對較短，而系統(tǒng)其他部分運行在較低時鐘速率時，這種方法比較適用。還可以將許多低時鐘速率模塊整合到一起。為滿足EMC或者功耗要求，使用SOPC Builder能夠輕松地將這些單元與其他運行速率很高的系統(tǒng)分開。這樣可以自動生成同步不同時鐘域所需的邏輯，而設計人員只需指定哪些模塊運行在給定的時鐘域上即可。

圖1 汽車信息娛樂平臺

在FPGA中實現(xiàn)微控制器

　 由于這類系統(tǒng)要比簡單的圖像控制器復雜得多，在大多數(shù)情況下，

FPGA被用作原型開發(fā)工具。采用FPGA作為原型大大降低了開發(fā)風險，它可以進行全面的驗證、固件開發(fā)和現(xiàn)場測試。

　 使用FPGA進行原型開發(fā)意味著工程師可以在系統(tǒng)運行器件，在真實的環(huán)境中進行測試。這樣，工程師能夠確定仿真過程中難以發(fā)現(xiàn)的潛在設計缺陷。

　　軟件開發(fā)已經是整個開發(fā)周期中的主要部分。軟件開 發(fā)需要大量的時間和資源，因此，原型系統(tǒng)能夠縮減整個開 發(fā)周期，發(fā)現(xiàn)瑕疵和兼容性問題。

　　對系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試有利于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和器件缺陷，而這在實驗室中卻難以實現(xiàn)。在很多情況下，銷售人員為獲得訂單而有必要進行系統(tǒng)演示。對于最初的規(guī)范，還需要加入某些新特性和功能。不論是以前沒有發(fā)現(xiàn)的問題還是新加入的特性，F(xiàn)PGA原型開發(fā)都可以迅速進行修改，降低較大的一次性工程成本，令生產周期縮短。

圖2 靈活的汽車微控制器解決方案

靈活的微控制器解決方案中的最終單元是進行ASIC的開發(fā)。建立并測試原型系統(tǒng)后，將設計交給Altera，轉為HardCopy結構化ASIC。與其他的結構化ASIC不同，HardCopy器件使用和FPGA原型相同的 構建模塊，因此，不必重新對設計進行綜合，或者進行更多的驗證。使用HardCopy器件的周轉時間較短，設計人員可以很快地完成FPGA邏輯，盡可能地降低成本。

結論

　　下一代汽車電子系統(tǒng)需要采用非常專業(yè)的低成本器件，以滿足市場需求?？紤]到目前工藝技術開發(fā)成本的攀升，采用傳統(tǒng)微控制器有些不切實際，而針對較大市場范圍的多功能器件價格昂貴，也不適合。相反，靈活的微控制器方案針對具體應用開發(fā)合適的微控制器，在FPGA中實現(xiàn)原型開發(fā)。設計完成后，甚至是在設計過程中就可以立即進行驗證、軟件開發(fā)和現(xiàn)場測試。對于批量生產，F(xiàn)PGA設計直接映射到HardCopy結構化ASIC，而不用重新綜合或再次驗證。