基于MCU和FPGA靈活設(shè)計車載信息娛樂系統(tǒng)
加入技術(shù)交流群
然而，車載信息娛樂系統(tǒng)是一個高度集成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中可以包括導(dǎo)航系統(tǒng)、影音系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，以及其他車內(nèi)外舒適設(shè)備的控制系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)涉及的通訊網(wǎng)絡(luò)可以包括LINK_KEYWORD0、MOST、LIN、藍(lán)牙和其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。設(shè)計這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)，不但要考慮系統(tǒng)的性能和成本，更要考慮設(shè)計的靈活性，以保持產(chǎn)品在快速變化的市場中的競爭力。
汽車電子系統(tǒng)要求溫度適應(yīng)范圍大、有利于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和很長的設(shè)計壽命。車載信息娛樂系統(tǒng)是一個快速發(fā)展和適應(yīng)各種用戶的系統(tǒng)，如果既要保持一個設(shè)計具有長的壽命又要有高度的靈活性，那么這種設(shè)計在軟硬件，特別是在硬件方面要有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
一般來說，車載信息娛樂系統(tǒng)具有復(fù)雜的人機(jī)界面(按鍵和旋鈕)，帶一個可以顯示地圖、影像和汽車信息的液晶顯示器，有時還會是觸摸屏。這種系統(tǒng)一般以一個高性能MCU為中心，加上各種標(biāo)準(zhǔn)接口以及一個視頻加速器件。
DSP、ASSP和FPGA都可以用來實現(xiàn)多種接口和視頻處理。D
應(yīng)用MCU+FPGA的設(shè)計，軟件和外設(shè)硬件都可以在FPGA中變化，整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個很容易進(jìn)行升級的軟件，改變硬件就像改變軟件一樣簡單。這樣的系統(tǒng)可以滿足從低端到中高端汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計、測試和生產(chǎn)的要求。所以，基于MCU+FPGA的設(shè)計給車載信息娛樂系統(tǒng)帶來了很大的靈活性。
在確立了基本硬件框架之后，接著就要考慮基于這種框架的芯片的選擇。對于車載娛樂信息系統(tǒng)這樣一個復(fù)雜的人機(jī)交互系統(tǒng)，高性能和高安全的嵌入式實時操作系統(tǒng)是首選的軟件基礎(chǔ)。而該操作系統(tǒng)支持的芯片組將是MCU的主要候選者。目前，在汽車工業(yè)界普遍接受的組合是SH4(MCU)加上QNX(操作系統(tǒng))。
FPGA的選擇要相對容易一些，至少有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Quicklogic等五家公司的產(chǎn)品可以考慮。Xilinx和Altera是FPGA的行業(yè)領(lǐng)袖，他們的產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，有大量的標(biāo)準(zhǔn)庫可以采用。圖1的框圖是一個硬件的基本構(gòu)成示意圖。
考慮了硬件之后，軟件的架構(gòu)就變得明晰了。由于QNX支持POSIX規(guī)范，所以基于它編寫的模塊化的應(yīng)用程序和應(yīng)用開發(fā)庫具有良好的可移植性，這對支持同類軟件架構(gòu)的其他平臺的開發(fā)無疑是一件節(jié)約成本的好事。
點擊看原圖
圖1：硬件的基本構(gòu)成示意圖。
軟件架構(gòu)的概念設(shè)計實際上可以在操作系統(tǒng)明確之前就開始。軟件設(shè)計不一定非要遵從POSIX規(guī)范，而是要滿足系統(tǒng)的高性能、設(shè)計的模塊化、應(yīng)用的可伸縮性和代碼的可重用性及可移植性。
通常一個基于MCU的復(fù)雜軟件系統(tǒng)應(yīng)該定義以下的軟件層：
BSP：處理和MCU初始化相關(guān)的事務(wù)，如IPL(Initial Program Loader)和Startup Program等；
設(shè)備驅(qū)動：所有和硬件相關(guān)的程序，如FLASH driver、CAN driver和圖形圖像驅(qū)動等；
OS：核心操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供資源管理和安全任務(wù)調(diào)度等服務(wù)，它甚至也可以包含一些高層次的驅(qū)動設(shè)備，如標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備驅(qū)動等；
中間件：介于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的程序，如各種API和FPGA Loader等；
應(yīng)用程序：具有高度可重用性的、完成特定功能的程序模塊，如媒體播放器和導(dǎo)航軟件。
在MCU+FPGA的架構(gòu)之下，每個和FPGA相關(guān)的應(yīng)用程序都自帶一個初始化例程。該初始化例程在需要啟動該應(yīng)用程序之前將該應(yīng)用程序映射到FPGA，然后該應(yīng)用程序在FPGA上運行。根據(jù)應(yīng)用程序的要求，MCU可以在完成映射之后，保持和FPGA強(qiáng)的或弱的通訊聯(lián)系。這種結(jié)構(gòu)部分解放了MCU，使之能夠有效地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和資源管理，而FPGA也能夠在特定環(huán)境下高效運行。這種系統(tǒng)的另外一個好處就是非常穩(wěn)定且容易維護(hù)。運行在FPGA中的應(yīng)用程序的不良動作或崩潰通常不會影響到運行在MCU中的操作系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)某個應(yīng)用程序失效之后，操作系統(tǒng)可以從容地重新開始該應(yīng)用程序的新例程，而不必重啟整個系統(tǒng)。
運行在FPGA中的應(yīng)用程序，雖然看起來和普通運行在ASIC或ASSP中的系統(tǒng)并無區(qū)別，但是這些應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)實際上有很大的區(qū)別。運行在ASIC或ASSP中的系統(tǒng)是根據(jù)已經(jīng)確定的具有特定功能硬件環(huán)境設(shè)計的，而運行在FPGA中的應(yīng)用程序是根據(jù)將要完成的功能，自己調(diào)整FPGA的邏輯單元，使之能夠適應(yīng)環(huán)境。正是FPGA這種現(xiàn)場可編程性，使我們能夠在適當(dāng)?shù)臅r候啟動適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序，這大大增加了設(shè)計的靈活性。
評論