汽車娛樂電子中采用FPGA推動的參考設計
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汽車娛樂電子推動了功能和容量的快速發(fā)展，促使設計人員在性能、成本和靈活性上做出綜合考慮。與其他汽車電子領域不同，多媒體圖形應用高度可視化，其需求多變，在許多情況下甚至還沒有建立標準。汽車設計人員需要一個能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？删幊踢壿嫞貏e是現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）便是這樣的解決方案。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/21088.htm在以前，專用集成電路（asic）能夠為制造商提供成本效益較好的芯片方案，因此，汽車圖形應用在半導體方面一般選用asic。但是，asic開發(fā)成本不斷攀升，降低批量價格、快速面市的要求以及功能復雜性的提高可能會預示著汽車市場中asic統(tǒng)治時代的結束。頂級汽車供應商正在尋找一種最具成本效益的設計平臺，其強大的功能和靈活性能夠滿足越來越復雜的汽車數(shù)字系統(tǒng)的需求。
專用標準產(chǎn)品（assp）在汽車和消費類市場上是asic的一種替代方案。這類產(chǎn)品的主要優(yōu)勢在于低成本。但是，assp具有隱含的成本，如尋找各種功能都合適的assp，而不必添加外部邏輯、軟件以及其他asic或者assp。而且，隨著需求的不斷變化，在設計早期可能不需要assp，設計一旦投產(chǎn)之后，便不再采用assp。
fpga能夠顯著縮短工程開發(fā)時間，降低多芯片重復使用成本，成為汽車圖形應用中替代asic和assp的功能強大而又靈活的解決方案。assp可能會丟失所需功能，asic則有隨著設計修改而必須重制的風險，而fpga在設計過程中，可以進行編程，并根據(jù)需要重新編程，實現(xiàn)更快速的原型設計，加快產(chǎn)品面市。如果需求變化，即使是器件已經(jīng)在車輛中投入使用了，fpga也可以現(xiàn)場進行更新。fpga不存在預先的asic流片（nre）成本以及最小訂購量問題，也不存在assp相關的潛在成本問題，它是系統(tǒng)設計最具成本效益的選擇。而且，fpga在通用硬件平臺上能夠重復使用的能力顯得非常重要，使設計人員能夠生成不同的系統(tǒng)，憑借一個基本設計便可以支持多種功能，從而降低制造成本。 fpga參考設計推動汽車圖形技術
信息娛樂應用要求越來越復雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和dsp中實現(xiàn)，但代價是極高的成本、復雜度和功耗。可以在系統(tǒng)中加入fpga來降低圖形系統(tǒng)的總成本、復雜度，以及性能需求。圖1所示為一個標準的圖形參考設計，該設計承載視頻輸入，覆蓋lcd屏幕上顯示的其他圖像。
圖1: 采用fpga和主機處理器的汽車圖形控制系統(tǒng) 該參考設計在altera cyclone fpga中實現(xiàn)了一個視頻輸入模塊和lcd圖形控制器，展示了汽車市場需要的低成本應用中，fpga所具有的強大功能和靈活性。參考設計運行在altera nios ii嵌入式處理器開發(fā)板上，并加入了用于實現(xiàn)相機/視頻輸入、輸出顯示驅動電路的模塊。
視頻輸入模塊包括一個前端相機接口和用于色彩空間轉換、調(diào)整和縮放的ip，以及視頻存儲器接口。lcd顯示接口包括控制不同層之間以及圖象之間半透明效果的ip功能。這些輸入和輸出控制模塊是altera sopc builder系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)用于將所有ip模塊進行無縫連接。opengl-e圖形庫子集運行在主機cpu中。該庫提供處理和表征位圖、幀緩沖訪問和圖形基元繪圖的所有功能。
由于進行透視操作、旋轉、繪制直線和多邊形、紋理操作以及相似的任務時，這些擴展圖形應用會占用大量的計算，因此，可能會需要一個功能非常強大的主機cpu來實現(xiàn)opengl圖形庫。fpga可做為一個協(xié)處理器架構，卸載主機cpu中通常消耗大量cpu性能的算法功能。
圖2: 帶有硬件加速協(xié)處理器的圖形控制系統(tǒng) 圖2顯示了在參考設計系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實例。該協(xié)處理器可承載多種算法，如：
●直接blit、拉伸blit、透明、雙線性濾波、每象素alpha、著色、抗鋸齒處理等位塊圖像傳送（blit）操作
●任意寬度直線繪制、圓角、截角、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●三角形、四邊形等多邊形繪制、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●圓、橢圓和二次曲線截面繪制
●生成二次和三次bézier曲線
加入?yún)f(xié)處理器后，對主機cpu的cpu要求會顯著降低。當然會使用更多的fpga資源，但是系統(tǒng)設計人員可以自由選擇在硬件中采用何種算法，具體在軟件中采用哪種以優(yōu)化大部分關鍵系統(tǒng)要求（速度、功耗、成本等）。 我們可以進一步延伸該卸載范例，采用fpga中實現(xiàn)的處理器將其他處理任務放在fpga中。這樣還具有減少系統(tǒng)元件和外部主機cpu的優(yōu)點。圖3顯示了如何在fpga中采用nios ii處理器實現(xiàn)其余軟件控制任務（如抗鋸齒處理和opengl兼容等）的圖形參考設計。
圖3: 在fpga中實現(xiàn)帶有主機cpu的圖形控制系統(tǒng) 平臺概念——多種小變化
通過在汽車圖形系統(tǒng)中采用fpga，相同的平臺可用于解決不同的市場需求。圖4顯示了怎樣以單個通用平臺開始，進行多種變化來滿足不同的市場需求，而不必重制asic或者建立并調(diào)試新的電路板。
本文闡述的多種汽車參考設計說明了這種概念是如何工作的。根據(jù)市場需求，采用單個工作參考平臺來實現(xiàn)多種圖形控制器模塊衍生。通過使用標準ip和參考設計，開發(fā)團隊能夠將精力（和花費）集中在如何使產(chǎn)品領先于競爭對手，滿足客戶的要求，而不必耗費在基本編程上。而且，使用fpga并不排除以后采用asic。由于所有的基本ip在未來器件系列中可以重復使用，因此fpga中實現(xiàn)的設計可以移植到altera
hardcopy器件等結構化asic或者完全定制的asic中。
結論
在發(fā)動機倉、乘客車廂內(nèi)以及外部診斷系統(tǒng)中，fpga為成功的系統(tǒng)設計提供了靈活的低風險途徑——降低了制造的復雜性，實現(xiàn)了最佳成本效益。fpga可用作簡單膠合邏輯以及不同組件間的接口橋接——有助于實現(xiàn)標準組件、微處理器和系統(tǒng)總線間的通信。fpga還可以擴展特性，集成內(nèi)核系統(tǒng)功能以替代assp和asic。
當考慮到不斷增加的復雜度和及時面市的壓力時，盡管汽車應用需要合適的asic以實現(xiàn)大批量產(chǎn)品，但是fpga仍舊能夠滿足甚至超越總工程成本目標。fpga中實現(xiàn)的低成本結構和豐富的器件資源組合使設計人員能夠為這種批量產(chǎn)品應用提供全面而又經(jīng)濟的解決方案。而且，由于fpga所具有的靈活性，不必對整體平臺進行昂貴的重新設計，便可以迅速改進這些設計以滿足多變的市場需求并細化產(chǎn)品。
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