利用FPGA協(xié)處理器優(yōu)化汽車(chē)信息娛樂(lè)和信息通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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娛樂(lè)電子正成為豪華汽車(chē)之間差異化的主要方面，因而推動(dòng)了其性能和功能的快速發(fā)展。如何折衷考慮性能、成本和靈活性要求是設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。高端應(yīng)用包括衛(wèi)星收音機(jī)、后座娛樂(lè)、導(dǎo)航、各種類(lèi)型的音頻回放、語(yǔ)音合成和識(shí)別，以及其它新的應(yīng)用。
汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)用的核心技術(shù)與傳統(tǒng)的汽車(chē)應(yīng)用有本質(zhì)的區(qū)別。與汽車(chē)電子的其它領(lǐng)域不同，這些娛樂(lè)應(yīng)用是天天要用的，需求也不斷在發(fā)生變化。另外，過(guò)時(shí)的娛樂(lè)系統(tǒng)將成為新車(chē)銷(xiāo)售的主要障礙，并且會(huì)影響汽車(chē)轉(zhuǎn)售價(jià)格和出租價(jià)格。
車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的技術(shù)要求
傳統(tǒng)的汽車(chē)電子為具有較長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、更寬溫度范圍和低成本要求的全面標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)，車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)基本上也要滿足這些要求。設(shè)計(jì)工程師不但需要設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命的系統(tǒng)，并且要能適應(yīng)系統(tǒng)功能的快速發(fā)展。這些要求需要很強(qiáng)的靈活性和性能，這是以傳統(tǒng)的特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)所不能提供的。
現(xiàn)在設(shè)計(jì)的車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)能夠支持平板顯示器，通過(guò)圖形化的人機(jī)界面可以顯示動(dòng)態(tài)地圖和汽車(chē)信息。這些架構(gòu)周邊有高度標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器、各種標(biāo)準(zhǔn)接口以及支持低端圖形處理的簡(jiǎn)單硬件加速器。這種架構(gòu)能夠以非常低的成本滿足汽車(chē)市場(chǎng)的中等級(jí)娛樂(lè)系統(tǒng)要求，也能擴(kuò)展到高端應(yīng)用以適合頂級(jí)豪華汽車(chē)市場(chǎng)要求，視頻圖像處理和通信是典型的頂級(jí)應(yīng)用例子。支持這些應(yīng)用的各種標(biāo)準(zhǔn)包括視頻的MPEG2、MPEG4和H.264，以及通信的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、衛(wèi)星收音機(jī)、衛(wèi)星電視、數(shù)字視頻廣播和WiFi，這些標(biāo)準(zhǔn)都依賴(lài)于不斷發(fā)展的多種信號(hào)處理算法，這些算法需要特別高的可編程處理性能。
目前有三種半導(dǎo)體技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)這些高度復(fù)雜的算法，這三種技術(shù)分別是可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、ASSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。DSP是一種高性能可編程處理器，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于信號(hào)處理，DSP處理器靈活性高、功耗低、性價(jià)比也較高，但沒(méi)有硬件加速功能，不能提供當(dāng)今高級(jí)圖像處理和無(wú)線通信算法所需的計(jì)算能力；通常內(nèi)含DSP處理器的ASSP能夠?yàn)楹?jiǎn)單視頻或通信標(biāo)準(zhǔn)提供優(yōu)化解決方案，但不能被編程以適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)；而FPGA不僅具有很高的處理性能，而且可編程，因此可以滿足多種應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)要求。與其它二種技術(shù)不同，F(xiàn)PGA的靈活性和性能可以滿足所有潛在算法的要求。
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圖一 |
上文提到的信息通訊基本架構(gòu)需要額外的處理芯片來(lái)處理高端應(yīng)用，這些芯片一般是ASIC和ASSP，它們通過(guò)存儲(chǔ)器或視頻處理總線與處理器集成，從而成為特定應(yīng)用協(xié)處理器。用FPGA替換這種特定應(yīng)用硬件是一種非常好的方法，將FPGA和處理器集成在一起的應(yīng)用稱(chēng)為FPGA協(xié)處理。FPGA的這種使用方式能夠根據(jù)要求將新的特定應(yīng)用加速器下載到FPGA中，從而協(xié)助完成任何高性能應(yīng)用。這一概念被廣泛應(yīng)用于高級(jí)軍事多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電設(shè)備，通常稱(chēng)為軟件無(wú)線電(SDR)技術(shù)。采用SDR技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵就可以使一個(gè)無(wú)線電設(shè)備自動(dòng)適應(yīng)不同的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，這不僅有助于設(shè)備適應(yīng)于未來(lái)的應(yīng)用，也能減少執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)空閑的定制處理器的數(shù)量。這種軟件無(wú)線電技術(shù)也可以用于車(chē)載通信和視頻應(yīng)用。
FPGA在視頻處理和無(wú)線連接方面的靈活性還能節(jié)約設(shè)備成本，增加系統(tǒng)的價(jià)值。目前的基本架構(gòu)需要ASSP才能支持每個(gè)新的視頻編解碼或無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。用一個(gè)FPGA替代多個(gè)ASSP可以減少汽車(chē)使用壽命期間必須配置和維護(hù)的次數(shù)。擴(kuò)展車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，使其包含F(xiàn)PGA就可以提供可編程的單一高端平臺(tái)，從而涵蓋更寬范圍的視頻和無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和性能。這種方法同樣適合高級(jí)汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)架構(gòu)使用。
Delphi Delco電子系統(tǒng)公司發(fā)布了先進(jìn)的汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)架構(gòu)范例。該平臺(tái)采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SH-4微處理器和一個(gè)日立的HD64404“Amanda”ASIC器件，提供了80%中級(jí)汽車(chē)市場(chǎng)所需的基本功能。該系統(tǒng)提供了一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)API層的通用控制處理器，可以對(duì)硬件外設(shè)和協(xié)處理器進(jìn)行抽象。ASIC提供基本的外圍器件功能和一體化的圖形處理器，這種圖形處理器可以支持交互圖形和擴(kuò)展功能，但不能提供視頻編解碼或其它DSP功能。該系統(tǒng)提供了所有娛樂(lè)設(shè)備所需的基本功能，但仍需要額外的ASIC或ASSP才能完成視頻編解碼和無(wú)線通信。
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圖二 |
FPGA協(xié)處理可使FPGA與控制或DSP處理器緊密整合在一起，因此可以分擔(dān)大部分算法處理任務(wù)，同時(shí)保留標(biāo)準(zhǔn)編程接口于控制處理器上。當(dāng)算法的主要數(shù)據(jù)流駐留于FPGA或相關(guān)存儲(chǔ)器上時(shí)，這種整合的運(yùn)行效果最佳。算法是由來(lái)自于控制處理器的緩慢控制信號(hào)控制。
該類(lèi)型架構(gòu)可以應(yīng)用于無(wú)線通信，它能通過(guò)單個(gè)FPGA支持GSM/EDGE、WCDMA、1xEVD0中的數(shù)字處理以及各種802.11標(biāo)準(zhǔn)。其它方案只能是針對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做專(zhuān)門(mén)的硬件設(shè)計(jì)，但這樣做會(huì)成倍增加成本和電路板面積。
評(píng)論