采用靈活的汽車FPGA提高片上系統(tǒng)級集成和降低物料

然而，汽車業(yè)較長的開發(fā)周期卻很難跟上最新技術的發(fā)展，尤其是一直處于不斷變化中的車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，以及那些來自消費市場的快速興起和消失的技術，從而造成了較高的工程設計成本和大量過時。向這些組合因素中增加低成本目標、擴展溫度范圍、高可靠性與質(zhì)量目標和有限的物理板空間，以及汽車設計中存在的挑戰(zhàn)，最多使人進一步感到沮喪?？删幊踢壿嬈骷?(PLD)，如現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和復雜 PLD (CPLD)，已經(jīng)登場亮相，且被證明是一種靈活、成本有效和可行的技術解決方案，并可提供比目前采用的傳統(tǒng)硬件解決方案更好的上市時間。

汽車設計的商業(yè)方面正變得越來越重要。在一項基于 391 種不同尺寸設計的哈佛大學研究中人們發(fā)現(xiàn)，平均 ASIC SOC 設計需要十四到二十四人月，而平均 FPGA 設計則需要六到十二人月。這是在開發(fā)時間方面存在的 55% 的平均差距，這表示可以通過 FPGA 設計加快時間關鍵設計的上市速度，同時還可降低設計成本和開銷。另一項通常不被計入開發(fā)成本公式的主要因子是 NRE（非重發(fā)性設計成本）和掩膜費用。在 90 納米工藝技術節(jié)點上，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，由于采用這些更小技術進行設計的復雜度提高，因缺陷或版圖問題而必須對 ASIC SOC 設計進行芯片改版的機會亦提高至接近 40%。* 設計工程師必須把這兩個問題結(jié)合在一起看作一種潛在風險和附加成本。這可能是為什么 2000 年至 2003 年間全球 ASIC 設計啟動減少約 50% 并繼續(xù)逐年下降的關鍵原因之一。

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)階段隨時更新設計的便利。由于 PLD 設計通過軟件位流來進行編程，因而使快速設計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，因此它們允許設計者進行全面的修改而仍保持正確的引腳和邏輯密度。這可實現(xiàn)出色的單位邏輯價格成本點和針對每個設計專門定制的引腳數(shù)量。PLD 設計由硬件描述語言 (HDL) 組成，以實現(xiàn)面向嵌入式處理器的邏輯和 C 源文件。這些設計源文件可用于實現(xiàn)和重配置任何 PLD，任意次數(shù)。設計者還可利用已有設計或設計的特定部分在新項目中重用。這種可伸縮性和代碼的重用性避免了產(chǎn)品過時淘汰并可降低成本，因為開發(fā)者可以快速和輕易地升級其設計，使之面向最新的低成本器件。我們發(fā)現(xiàn)在汽車設計領域有一個普遍的誤解，就是以為 FPGA 對于生產(chǎn)而言太貴了。五年以前，一百萬系統(tǒng)門售價在 45 美元左右。今天，同樣的一百萬系統(tǒng)門器件售價不足 10 美元，而更小的 10 萬系統(tǒng)門設計售價不足 3 美元，從而允許將多個組件大規(guī)模集成到單個器件內(nèi)?，F(xiàn)在已完全能夠?qū)?FPGA 納入全面生產(chǎn)并達到汽車市場所要求的系統(tǒng)成本目標。

PLD 的可編程本性還提供了另一水平的優(yōu)勢――車內(nèi)可編程性和重編程性。設備車內(nèi)可編程性支持在產(chǎn)品部署后也可對其算法和功能進行升級。由于目前的遠程信息處理和視頻圖像識別系統(tǒng)還處在研究與開發(fā)的早期階段，因此現(xiàn)場可升級的能力將會是一種至關重要的資產(chǎn)。隨著技術――如圖像處理算法――隨時間而改進，硬件升級將可在大約幾分鐘內(nèi)完成，而無須重新設計 ASSP 或設計一款新的電路板。

例如，在儀表組和中心堆疊顯示設計中，LVDS（低壓差分信號）收發(fā)器已為汽車設計者提供了實現(xiàn)平板顯示器 (FPD) 應用所需的低噪聲、高速信號接口。最近，RSDS（低擺幅差分信號）信號接口已被各家顯示器制造商采用。這種新的信號傳輸技術比 LVDS 具有許多優(yōu)點，包括較低動態(tài)功耗、進一步降低的輻射 EMI、減小的總線寬度、高噪聲抑制和高吞吐率。再一次，PLD 的動態(tài)本性為開發(fā)者帶來優(yōu)選優(yōu)勢。PLD 支持眾多 I/O 信號標準，為開發(fā)者提供在其設計中整合新興技術如 RSDS 等的選擇。通過快速適應變化的標準和采用最新及最大的技術，公司可為自己創(chuàng)造上市時間優(yōu)勢，確保對任何競爭對手保持優(yōu)勝。

在汽車設計的可靠性方面，有許多因素需要考慮。雖然 ISO-TS16949 認證早已為市場所知，設計者仍需更深入一步了解。許多公司通過第三方分包商進行生產(chǎn)。設計者必須確保供應商本身是經(jīng)過認證的。否則，該提供商的設計和操作流程即未達到工業(yè)標準。在汽車遠程信息處理應用中，AEC-Q100 汽車 IC 應力測試鑒定與 PPAP 文檔化也是必須遵循的。

回到技術方面，使用 PLD 還將提高可靠性。雖然 LVDS 發(fā)射器與接收器配對在市場上早有供貨，但采用 PLD 可讓開發(fā)者將收發(fā)器集成在單個器件內(nèi)。PLD 不僅提供了各種集成信號傳輸功能，而且還集成了源和終端電阻。通過消除大量分立元件，設計者可以減少元件數(shù)量，從而簡化 PCB，實現(xiàn)可靠得多的信號傳輸結(jié)構。最終結(jié)果將是一個更為成本有效和可靠的系統(tǒng)。

PLD 不僅可集成信號傳輸能力，而且還提供了將整個系統(tǒng)包含在單個可編程器件上的能力，這也包括處理器。通過將整個設計放在單個芯片上，設計者可以減少電路板上的元件數(shù)量及相關連接，從而構成一個可伸縮、便攜和可靠的系統(tǒng)。例如，色溫是車載顯示器開發(fā)者需要面對的許多圖像增強問題之一。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，只需針對地理上優(yōu)選的色溫設置進行微小的調(diào)節(jié)。平臺可伸縮性和設計可靠性絲毫未減，同時還可以節(jié)省成本。

大多數(shù) PLD 具有內(nèi)置時鐘調(diào)理功能，以便進行占空比校正，和時鐘管理器，以允許進行時鐘控制。時鐘管理器被安置在內(nèi)部專門的低畸變線上，以實現(xiàn)精確的全局性時鐘信號。這種時鐘提供了高速時鐘設計的完整解決方案，例如圖像處理所需要的那些設計?？够兊膬?nèi)部和外部時鐘消除了時鐘分布延遲并提供了高分辨率相移。這些時鐘還具有靈活的頻率綜合功能，可生成輸入時鐘頻率分數(shù)或整數(shù)倍的時鐘頻率。可靠的時鐘管理系統(tǒng)對時序和控制電路來滿足不斷增長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。以實時圖像尺寸調(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)構來實現(xiàn)。同時垂直和水平乘法器之間無需進行中間緩沖，因而不存在幀延遲。

目前許多汽車遠程信息處理應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用，如導航系統(tǒng)和后座娛樂/視頻等，純粹從架構角度來看，采用 PLD 將提供各種性能優(yōu)勢。例如，F(xiàn)PGA 中的分布式 RAM 用于存儲 DSP 系數(shù)和 FIR 濾波器，可提供高存儲器帶寬。雙端口塊 RAM 針對數(shù)據(jù)緩沖和存儲進行了優(yōu)化，并可用于 FFT 等應用。使用由嵌入式乘法器和累加器構建的 MAC，PLD 還可每秒執(zhí)行幾十億次 MAC 運算。PLD 中的大量乘法器還可用于創(chuàng)建并行乘法器陣列，支持復雜的高性能 DSP 任務，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 構成，支持多通道數(shù)據(jù)路徑的高效實現(xiàn)。通過支持構建高效的時分復用 (TDM) 硬件結(jié)構，它們還可極大地提高 FPGA 計算強度。

圖 1：傳統(tǒng) DSP 與 FPGA DSP 比較

簡單使用 PLD，開發(fā)者可以充分利用其靈活架構和分布式 DSP 資源，如查找表 (LUT)、寄存器、乘法器和存儲器等。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現(xiàn)。例如，設計者可以調(diào)整陣列的尺寸，使之適合準確的計算要求，特別適用于對圖像進行計算。計算可以對幾組像素進行，例如對離散余弦變換 (DCT) 塊和圖像中的其他塊并發(fā)進行計算，而不必順序掃描整個圖像。而且由于現(xiàn)在處理可以實時完成，因此使用 PLD 時緩沖像素值對存儲器的需求減少。

盡管傳統(tǒng)的可編程 DSP 可滿足寬范圍的應用，但其具有自己的限制。例如，傳統(tǒng) DSP 受其架構束縛，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)必須以較高的時鐘頻率運行，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，它采用多個 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，設計者可以實現(xiàn)解決更高性能、高質(zhì)量、實時顯示器挑戰(zhàn)所需的定制解決方案。PLD，憑借其靈活架構和 DSP 資源，可同時支持串行和并行處理。通過選用并行處理，系統(tǒng)具有了在單個時鐘周期內(nèi)最大化其數(shù)據(jù)吞吐率的潛力。再次，設計者可以調(diào)整陣列的尺寸以適應特定的處理需求。

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 圖像增強應用。伽馬校正控制著圖像的總體亮度。它還會影響某種特定顏色表現(xiàn)的色調(diào)，影響紅到綠到藍的比例。所有圖像源均假定顯示設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態(tài)更新 LUT 以便在輸出端顯示適當?shù)捻憫獊硗瓿?。若?8 位和 10 位 LUT 近似進行比較，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：如果計算出現(xiàn)小數(shù)結(jié)果，則使用標準的四舍五入法。

經(jīng)過伽馬校正的 30 位 R’G’B’ 輸出需要通過圖像抖動引擎，來找出對輸出到顯示設備最接近的顏色 24 位 RGB 輸出。有多種圖像抖動算法。通過采用 PLD，開發(fā)者可以對多種算法快速進行比較，以確定哪種算法滿足其應用要求。抖動算法還可快速且容易地修改，只需在源代碼中進行算法修改，然后重新配置 PLD 即可。

色溫校正器是反饋裝置，它將根據(jù)輸出的顏色響應動態(tài)地修改輸入 RGB 值。RGB 輸出的值與黑體輻射色溫進行比較，以動態(tài)確定理想的色溫輸出。
這可以在單片 PLD 中實現(xiàn)，如下所示。

圖 2：伽馬校正

汽車行業(yè)正在迎來其歷史上最激動人心和最具挑戰(zhàn)性的時代。包含新的和快速變化協(xié)議的新模塊不斷實現(xiàn)，這些協(xié)議中有些來自快速演進的消費市場。更苛刻的進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。靈活和平臺可伸縮的系統(tǒng)級集成逐漸成為必需，以達到低 OEM 模塊成本目標。

今天的 PLD 已成為固定邏輯器件的一種可行的替代選擇。PLD 提供商們正在面對汽車市場展示其服務承諾，這包括推出溫度容限為－40℃到＋125℃的封裝和努力達到汽車行業(yè)的嚴格要求，包括 ISO TS 16949 認證，AEC-Q100 鑒定流程和生產(chǎn)件批準程序 (PPAP)。這使得汽車工程師們能夠在對元件質(zhì)量和性能完全放心的情況下，滿足其挑戰(zhàn)性的設計目標，同時提供快速響應不斷變化的汽車和多媒體標準與協(xié)議的能力。