采用靈活的汽車 FPGA 來提高片上系統(tǒng)級(jí)集成和降低物料成本
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汽車設(shè)計(jì)的商業(yè)方面正變得越來越重要。在一項(xiàng)基于 391 種不同尺寸設(shè)計(jì)的哈佛大學(xué)研究中人們發(fā)現(xiàn)，平均 ASIC SOC 設(shè)計(jì)需要十四到二十四人月，而平均 FPGA 設(shè)計(jì)則需要六到十二人月。這是在開發(fā)時(shí)間方面存在的 55% 的平均差距，這表示可以通過 FPGA 設(shè)計(jì)加快時(shí)間關(guān)鍵設(shè)計(jì)的上市速度，同時(shí)還可降低設(shè)計(jì)成本和開銷。另一項(xiàng)通常不被
計(jì)入開發(fā)成本公式的主要因子是 NRE（非重發(fā)性設(shè)計(jì)成本）和掩膜費(fèi)用。在 90 納米工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，一套 ASIC SOC 掩膜組的平均成本在 100 萬美元到 150 萬美元之間，而這些成本隨每次工藝尺寸的縮小而加倍。同時(shí)，由于采用這些更小技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提高，因缺陷或版圖問題而必須對(duì) ASIC SOC 設(shè)計(jì)進(jìn)行芯片改版的機(jī)會(huì)亦提高至接近 40%。* 設(shè)計(jì)工程師必須把這兩個(gè)問題結(jié)合在一起看作一種潛在風(fēng)險(xiǎn)和附加成本。這可能是為什么 2000 年至 2003 年間全球 ASIC 設(shè)計(jì)啟動(dòng)減少約 50% 并繼續(xù)逐年下降的關(guān)鍵原因之一。
可編程邏輯器件 (PLD) 如 FPGA 和 CPLD 等提供了最大的硬件靈活性。由于這些器件具有可重編程的本性，開發(fā)者得以享受從原型一直到生產(chǎn)階段隨時(shí)更新設(shè)計(jì)的便利。由于 PLD 設(shè)計(jì)通過軟件位流來進(jìn)行編程，因而使快速設(shè)計(jì)修改變得容易而直接，且不存在 NRE 或掩膜成本。
由于 PLD 在邏輯密度和封裝遷移方面均具有可伸縮性，因此它們?cè)试S設(shè)計(jì)者進(jìn)行全面的修改而仍保持正確的引腳和邏輯密度。這可實(shí)現(xiàn)出色的單位邏輯價(jià)格成本點(diǎn)和針對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)專門定制的引腳數(shù)量。PLD 設(shè)計(jì)由硬件描述語言 (HDL) 組成，以實(shí)現(xiàn)面向嵌入式處理器的邏輯和 C 源文件。這些設(shè)計(jì)源文件可用于實(shí)現(xiàn)和重配置任何 PLD，任意次數(shù)。設(shè)計(jì)者還可利用已有設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)的特定部分在新項(xiàng)目中重用。這種可伸縮性和代碼的重用性避免了產(chǎn)品過時(shí)淘汰并可降低成本，因?yàn)殚_發(fā)者可以快速和輕易地升級(jí)其設(shè)計(jì)，使之面向最新的低成本器件。我們發(fā)現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域有一個(gè)普遍的誤解，就是以為 FPGA 對(duì)于生產(chǎn)而言太貴了。五年以前，一百萬系統(tǒng)門售價(jià)在 45 美元左右。今天，同樣的一百萬系統(tǒng)門器件售價(jià)不足 10 美元，而更小的 10 萬系統(tǒng)門設(shè)計(jì)售價(jià)不足 3 美元，從而允許將多個(gè)組件大規(guī)模集成到單個(gè)器件內(nèi)。現(xiàn)在已完全能夠?qū)?nbsp;FPGA 納入全面生產(chǎn)并達(dá)到汽車市場(chǎng)所要求的系統(tǒng)成本目標(biāo)。
PLD 的可編程本性還提供了另一水平的優(yōu)勢(shì)——車內(nèi)可編程性和重編程性。設(shè)備車內(nèi)可編程性支持在產(chǎn)品部署后也可對(duì)其算法和功能進(jìn)行升級(jí)。由于目前的遠(yuǎn)程信息處理和視頻圖像識(shí)別系統(tǒng)還處在研究與開發(fā)的早期階段，因此現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)的能力將會(huì)是一種至關(guān)重要的資產(chǎn)。隨著技術(shù)——如圖像處理算法——隨時(shí)間而改進(jìn)，硬件升級(jí)將可在大約幾分鐘內(nèi)完成，而無須重新設(shè)計(jì) ASSP 或設(shè)計(jì)一款新的電路板。
例如，在儀表組和中心堆疊顯示設(shè)計(jì)中，LVDS（低壓差分信號(hào)）收發(fā)器已為汽車設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)平板顯示器 (FPD) 應(yīng)用所需的低噪聲、高速信號(hào)接口。最近，RSDS（低擺幅差分信號(hào)）信號(hào)接口已被各家顯示器制造商采用。這種新的信號(hào)傳輸技術(shù)比 LVDS 具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括較低動(dòng)態(tài)功耗、進(jìn)一步降低的輻射 EMI、減小的總線寬度、高噪聲抑制和高吞吐率。再一次，PLD 的動(dòng)態(tài)本性為開發(fā)者帶來優(yōu)選優(yōu)勢(shì)。PLD 支持眾多 I/O 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，為開發(fā)者提供在其設(shè)計(jì)中整合新興技術(shù)如 RSDS 等的選擇。通過快速適應(yīng)變化的標(biāo)準(zhǔn)和采用最新及最大的技術(shù)，公司可為自己創(chuàng)造上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)，確保對(duì)任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手保持優(yōu)勝。
在汽車設(shè)計(jì)的可靠性方面，有許多因素需要考慮。雖然 ISO-TS16949 認(rèn)證早已為市場(chǎng)所知，設(shè)計(jì)者仍需更深入一步了解。許多公司通過第三方分包商進(jìn)行生產(chǎn)。設(shè)計(jì)者必須確保供應(yīng)商本身是經(jīng)過認(rèn)證的。否則，該提供商的設(shè)計(jì)和操作流程即未達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在汽車遠(yuǎn)程信息處理應(yīng)用中，AEC-Q100 汽車 IC 應(yīng)力測(cè)試鑒定與 PPAP 文檔化也是必須遵循的。
回到技術(shù)方面，使用 PLD 還將提高可靠性。雖然 LVDS 發(fā)射器與接收器配對(duì)在市場(chǎng)上早有供貨，但采用 PLD 可讓開發(fā)者將收發(fā)器集成在單個(gè)器件內(nèi)。PLD 不僅提供了各種集成信號(hào)傳輸功能，而且還集成了源和終端電阻。通過消除大量分立元件，設(shè)計(jì)者可以減少元件數(shù)量，從而簡(jiǎn)化 PCB，實(shí)現(xiàn)可靠得多的信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)。最終結(jié)果將是一個(gè)更為成本有效和可靠的系統(tǒng)。
PLD 不僅可集成信號(hào)傳輸能力，而且還提供了將整個(gè)系統(tǒng)包含在單個(gè)可編程器件上的能力，這也包括處理器。通過將整個(gè)設(shè)計(jì)放在單個(gè)芯片上，設(shè)計(jì)者可以減少電路板上的元件數(shù)量及相關(guān)連接，從而構(gòu)成一個(gè)可伸縮、便攜和可靠的系統(tǒng)。例如，色溫是車載顯示器開發(fā)者需要面對(duì)的許多圖像增強(qiáng)問題之一。世界上的不同區(qū)域?qū)ι珳貎?yōu)選參數(shù)的要求不同。通過使用 PLD 創(chuàng)建一種可伸縮的色溫調(diào)節(jié)解決方案，該解決方案可在許多地理區(qū)域內(nèi)使用，支持多種顯示器類型，只需針對(duì)地理上優(yōu)選的色溫設(shè)置進(jìn)行微小的調(diào)節(jié)。平臺(tái)可伸縮性和設(shè)計(jì)可靠性絲毫未減，同時(shí)還可以節(jié)省成本。
大多數(shù) PLD 具有內(nèi)置時(shí)鐘調(diào)理功能，以便進(jìn)行占空比校正，和時(shí)鐘管理器，以允許進(jìn)行時(shí)鐘控制。時(shí)鐘
管理器被安置在內(nèi)部專門的低畸變線上，以實(shí)現(xiàn)精確的全局性時(shí)鐘信號(hào)。這種時(shí)鐘提供了高速時(shí)鐘設(shè)計(jì)的完整解決方案，例如圖像處理所需要的那些設(shè)計(jì)?？够兊膬?nèi)部和外部時(shí)鐘消除了時(shí)鐘分布延遲并提供了高分辨率相移。這些時(shí)鐘還具有靈活的頻率綜合功能，可生成輸入時(shí)鐘頻率分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍的時(shí)鐘頻率?？煽康臅r(shí)鐘管理系統(tǒng)對(duì)時(shí)序和控制電路來滿足不斷增長(zhǎng)的顯示需求非常有用。
圖像縮放需求同樣可以采用 PLD 來解決。以實(shí)時(shí)圖像尺寸調(diào)整為例。線路緩沖器和系數(shù)組可通過塊 RAM 來實(shí)現(xiàn)。其他所有東西，包括垂直和水平乘法器、加法樹、定序器與控制等，可使用 PLD 內(nèi)的基本邏輯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)垂直和水平乘法器之間無需進(jìn)行中間緩沖，因而不存在幀延遲。
目前許多汽車遠(yuǎn)程信息處理應(yīng)用需要高性能視頻和圖像處理能力。PLD 擁有大量特性，使得它們特別適合處理各種應(yīng)用，如導(dǎo)航系統(tǒng)和后座娛樂/視頻等，純粹從架構(gòu)角度來看，采用 PLD 將提供各種性能優(yōu)勢(shì)。例如，F(xiàn)PGA 中的分布式 RAM 用于存儲(chǔ) DSP 系數(shù)和 FIR 濾波器，可提供高存儲(chǔ)器帶寬。雙端口塊 RAM 針對(duì)數(shù)據(jù)緩沖和存儲(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化，并可用于 FFT 等應(yīng)用。使用由嵌入式乘法器和累加器構(gòu)建的 MAC，PLD 還可每秒執(zhí)行幾十億次 MAC 運(yùn)算。PLD 中的大量乘法器還可用于創(chuàng)建并行乘法器陣列，支持復(fù)雜的高性能 DSP 任務(wù)，而傳統(tǒng)的 DSP 只能限于執(zhí)行串行處理。嵌入式 SRL16 由寄存器和 LUT 構(gòu)成，支持多通道數(shù)據(jù)路徑的高效實(shí)現(xiàn)。通過支持構(gòu)建高效的時(shí)分復(fù)用 (TDM) 硬件結(jié)構(gòu)，它們還可極大地提高 FPGA 計(jì)算強(qiáng)度。
圖 1：傳統(tǒng) DSP 與 FPGA DSP 比較
簡(jiǎn)單使用 PLD，開發(fā)者可以充分利用其靈活架構(gòu)和分布式 DSP 資源，如查找表 (LUT)、寄存器、乘法器和存儲(chǔ)器等。通過遍布器件的分布式 DSP 資源、分段式布線和組件使用，F(xiàn)PGA 可以使算法在器件中最佳地實(shí)現(xiàn)。例如，設(shè)計(jì)者可以調(diào)整陣列的尺寸，使之適合準(zhǔn)確的計(jì)算要求，特別適用于對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算可以對(duì)幾組像素進(jìn)行，例如對(duì)離散余弦變換 (DCT) 塊和圖像中的其他塊并發(fā)進(jìn)行計(jì)算，而不必順序掃描整個(gè)圖像。而且由于現(xiàn)在處理可以實(shí)時(shí)完成，因此使用 PLD 時(shí)緩沖像素值對(duì)存儲(chǔ)器的需求減少。
盡管傳統(tǒng)的可編程 DSP 可滿足寬范圍的應(yīng)用，但其具有自己的限制。例如，傳統(tǒng) DSP 受其架構(gòu)束縛，具有固定數(shù)據(jù)寬度和有限的 MAC 單元，因此其串行處理方式限制了其數(shù)據(jù)吞吐率。這迫使系統(tǒng)必須以較高的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，以提高數(shù)據(jù)吞吐率，但卻產(chǎn)生了一系列其他挑戰(zhàn)。同時(shí)，它采用多個(gè) DSP 來滿足帶寬需求，產(chǎn)生功耗和電路板空間問題。通過使用 PLD，設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)解決更高性能、高質(zhì)量、實(shí)時(shí)顯示器挑戰(zhàn)所需的定制解決方案。PLD，憑借其靈活架構(gòu)和 DSP 資源，可同時(shí)支持串行和并行處理。通過選用并行處理，系統(tǒng)具有了在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最大化其數(shù)據(jù)吞吐率的潛力。再次，設(shè)計(jì)者可以調(diào)整陣列的尺寸以適應(yīng)特定的處理需求。
那些通常通過定制、離散 ASIC、ASSP 或圖像處理器來解決的問題，找到了在 PLD 中的解決方法。例如，在高分辨率 LCD 監(jiān)視器的伽馬校正需求中有一種 DSP 圖像增強(qiáng)應(yīng)用。伽馬校正控制著圖像的總體亮度。它還會(huì)影響某種特定顏色表現(xiàn)的色調(diào)，影響紅到綠到藍(lán)的比例。所有圖像源均假定顯示設(shè)備具有非線性的亮度輸入輸出函數(shù)，稱為伽馬函數(shù)，公式為 Vout = Vin^y，其中 y 一般在 2.2 到 2.8 之間。如果這種偏差沒有得到校正，輸出顯示將呈現(xiàn)具有很小色飽和度的蒼白顯示。在 PLD 中，RGB 空間的伽馬校正一般通過動(dòng)態(tài)更新 LUT 以便在輸出端顯示適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)來完成。若把 8 位和 10 位 LUT 近似進(jìn)行比較，很顯然 10 位分辨率更接近理想的伽馬曲線。
采用 10 位 LUT 時(shí)這種近似的公式為：
X’ = 1023 * (X/256) ^ (1/γ)，其中
X’ = R’、G’ 或 B’，10 位校正輸出
X = R、G 或 B，8 位未校正伽馬輸入
注：如果計(jì)算出現(xiàn)小數(shù)結(jié)果，則使用標(biāo)準(zhǔn)的四舍五入法。
經(jīng)過伽馬校正的 30 位 R’G’B’ 輸出需要通過圖像抖動(dòng)引擎，來找出對(duì)輸出到顯示設(shè)備最接近的顏色 24 位 RGB 輸出。有多種圖像抖動(dòng)算法。通過采用 PLD，開發(fā)者可以對(duì)多種算法快速進(jìn)行比較，以確定哪種算法滿足其應(yīng)用要求。抖動(dòng)算法還可快速且容易地修改，只需在源代碼中進(jìn)行算法修改，然后重新配置 PLD 即可。
色溫校正器是反饋裝置，它將根據(jù)輸出的顏色響應(yīng)動(dòng)態(tài)地修改輸入 RGB 值。RGB 輸出的值與黑體輻射色溫進(jìn)行比較，以動(dòng)態(tài)確定理想的色溫輸出。
這可以在單片 PLD 中實(shí)現(xiàn)
圖 2：伽馬校正
汽車行業(yè)正在迎來其歷史上最激動(dòng)人心和最具挑戰(zhàn)性的時(shí)代。包含新的和快速變化協(xié)議的新模塊不斷實(shí)現(xiàn)，這些協(xié)議中有些來自快速演進(jìn)的消費(fèi)市場(chǎng)。更苛刻的進(jìn)度限制使保持汽車行業(yè)的高質(zhì)量和可靠性要求更加困難。靈活和平臺(tái)可伸縮的系統(tǒng)級(jí)集成逐漸成為必需，以達(dá)到低 OEM 模塊成本目標(biāo)。
今天的 PLD 已成為固定邏輯器件的一種可行的替代選擇。PLD 提供商們正在面對(duì)汽車市場(chǎng)展示其服務(wù)承諾，這包括推出溫度容限為－40℃到＋125℃的封裝和努力達(dá)到汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求，包括 ISO TS 16949 認(rèn)證，AEC-Q100 鑒定流程和生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序 (PPAP)。這使得汽車工程師們能夠在對(duì)元件質(zhì)量和性能完全放心的情況下，滿足其挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)提供快速響應(yīng)不斷變化的汽車和多媒體標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的能力。
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