用FPGA實(shí)現(xiàn)靈活的汽車電子設(shè)計(jì)

引言

　　微控制器在汽車和消費(fèi)類市場上得到了廣泛應(yīng)用，能夠以相對較低的成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度集成。然而，這類產(chǎn)品也有潛在的成本問題。例如，如果元件功能不符合要求，就必須采用外部邏輯、軟件或者其他集成器件來進(jìn)行擴(kuò)展。而且，隨著最終市場需求的迅速變化，微控制器會很快過時(shí)。許多具有一定數(shù)量專用接口的特殊功能微控制器在經(jīng)過短期試用后，并不能完全滿足市場需求。因此，系統(tǒng)供應(yīng)商不得不重新設(shè)計(jì)硬件和軟件，甚至在某些情況下對處理器內(nèi)核進(jìn)行改動(dòng)。

　　ASSP微控制器面臨的兩難

　　傳統(tǒng)微控制器生產(chǎn)商面臨影響整個(gè)市場的兩難問題。微控制器是專用產(chǎn)品，因此，對每一種應(yīng)用，必須采用新的、不同特性的微控制器。為了能夠以一種微控制器內(nèi)核結(jié)構(gòu)來應(yīng)對更廣闊的市場，生產(chǎn)商提供系列微控制器，其型號接口和功能各不相同。這些混合特性在很多時(shí)候并不能完全滿足用戶需求，因此，為了擴(kuò)大客戶群，必須圍繞具體內(nèi)核結(jié)構(gòu)開發(fā)新的接口和功能。

　　采用老技術(shù)以較低的生產(chǎn)成本來實(shí)現(xiàn)微控制器時(shí)，這種策略非常成功。然而，現(xiàn)在為提高系統(tǒng)集成而采用了最新的工藝技術(shù)，這樣，開發(fā)新型微控制器的成本大大增加了。只有很少的客戶有很大的產(chǎn)量需求，這表明專門針對一個(gè)客戶來生產(chǎn)這類專用器件并不是可行的商業(yè)行為。為此，新型微控制器趨向于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品而不是專用器件，以越來越多的功能，吸引整個(gè)市場。雖然這些附加特性使微控制器功能更強(qiáng)，但也大大提高了成本，使其更難應(yīng)用于對成本敏感的市場，例如汽車和消費(fèi)類行業(yè)。如果不從根本上著眼芯片功能，則很難解決這個(gè)問題。

　　靈活的微控制器解決方案

　　對該問題的解決方案之一是采用FPGA來靈活地實(shí)現(xiàn)芯片功能。這些器件大大縮短了工程開發(fā)時(shí)間，降低了芯片多次試制的成本，是微控制器有力的替代方案。在設(shè)計(jì)過程中，FPGA不像微控制器那樣會漏掉某些特性，它可以編程，并能根據(jù)需要進(jìn)行改寫，快速完成原型開發(fā)，更迅速地將產(chǎn)品推向市場。如果需求變化，即使器件已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)品中，還可以在現(xiàn)場對其進(jìn)行更新。

　　汽車系統(tǒng)圖像控制器應(yīng)用就是FPGA優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的一個(gè)例子。盡管汽車市場需要低成本FPGA來實(shí)現(xiàn)圖像等各種功能，但要采用大量的芯片，因此，在可編程器件中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的成本太高。

　　靈活的微控制器不但性價(jià)比好，而且非常切合用戶需求。其性價(jià)比之所以好，是因?yàn)椴捎昧?0nm結(jié)構(gòu)化ASIC――如Altera HardCopy器件作為基本芯片，其功能在大量經(jīng)過預(yù)定義和靈活的構(gòu)建模塊庫中進(jìn)行選擇，可以針對客戶需求進(jìn)行定制。在開發(fā)過程中，HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC與傳統(tǒng)的微控制器不同，它支持從原型FPGA到微控制器的無縫移植。CPU和總線體系結(jié)構(gòu)都是靈活的微控制器方案所獨(dú)有的，可以針對專門的客戶應(yīng)用，以合適的功能和特性映射到設(shè)計(jì)中。HardCopy系列的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　芯片

　　* 比FPGA快50％

　　* 內(nèi)核功耗比FPGA低70％

　　* 管芯小60%至85％軟件
　
　　* 統(tǒng)一的FPGA和HardCopy設(shè)計(jì)環(huán)境

　　* 功耗和性能管理工具

　　* 價(jià)格低廉，使用方便封裝

　　* 與FPGA引腳至引腳兼容

　　* 低成本產(chǎn)品封裝

　　* 不需要重制電路板

　　RISC CPU

　　這一方案中使用的CPU是Altera Nios II嵌入式處理器，與一般情況不同，它并不固定在預(yù)定的芯片中，而是利用實(shí)際工具，根據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的要求而自動(dòng)生成，和整個(gè)電路需要的其他邏輯一起裝入FPGA中。這樣，可以根據(jù)專門應(yīng)用，使用Altera的SOPC Builder工具對處理器內(nèi) 核進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，以占用最少的邏輯，實(shí)現(xiàn)最合適的功能。

　　N ios II處理器采用標(biāo)準(zhǔn)RISC體系結(jié)構(gòu)，具有單獨(dú)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，都是32位寬。兩種總線通過單獨(dú)的緩沖進(jìn)行工作，還可以在總線系統(tǒng)中進(jìn)一步分開。最后，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確定代碼和數(shù)據(jù)是使用不同的存儲器，還是放在共享存儲器中。Nios II處理器含有每一處理器的大部分功能單元，設(shè)置決定其特性。例如，可以根據(jù)要求來選擇硬件乘法器、桶形移位寄存器和硬件除法器。指令和數(shù)據(jù)緩沖也是如此，其容量大小可以調(diào)整，也可以完全不用。

　　總線體系結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)上，微控制器一直采用單總線，由仲裁器對總線監(jiān)控，分配資源。這對總線而言非常不利，作為系統(tǒng)的中心資源，很快就成為瓶頸。因此，較新的系統(tǒng)采用了多層總線，特別是多條總線并行工作的SoC。Altera的Avalon總線結(jié)構(gòu)工作原理相似，不同之處在于――其他多層總線中，層數(shù)都是固定不變的，而Avalon可以自由選擇所需要的層數(shù)。

　　考慮到EMC和功耗問題，有時(shí)可以采用與系統(tǒng)其他部分運(yùn)行速率不同的外圍模塊。當(dāng)以更高的速率運(yùn)行存儲器接口，訪問時(shí)間相對較短，而系統(tǒng)其他部分運(yùn)行在較低時(shí)鐘速率時(shí)，這種方法比較適用。還可以將許多低時(shí)鐘速率模塊整合到一起。為滿足EMC或者功耗要求，使用SOPC Builder能夠輕松地將這些單元與其他運(yùn)行速率很高的系統(tǒng)分開。這樣可以自動(dòng)生成同步不同時(shí)鐘域所需的邏輯，而設(shè)計(jì)人員只需指定哪些模塊運(yùn)行在給定的時(shí)鐘域上即可。

圖1 汽車信息娛樂平臺

在FPGA中實(shí)現(xiàn)微控制器

　 由于這類系統(tǒng)要比簡單的圖像控制器復(fù)雜得多，在大多數(shù)情況下，

FPGA被用作原型開發(fā)工具。采用FPGA作為原型大大降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，它可以進(jìn)行全面的驗(yàn)證、固件開發(fā)和現(xiàn)場測試。

　 使用FPGA進(jìn)行原型開發(fā)意味著工程師可以在系統(tǒng)運(yùn)行器件，在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行測試。這樣，工程師能夠確定仿真過程中難以發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計(jì)缺陷。

　　軟件開發(fā)已經(jīng)是整個(gè)開發(fā)周期中的主要部分。軟件開 發(fā)需要大量的時(shí)間和資源，因此，原型系統(tǒng)能夠縮減整個(gè)開 發(fā)周期，發(fā)現(xiàn)瑕疵和兼容性問題。

　　對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試有利于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和器件缺陷，而這在實(shí)驗(yàn)室中卻難以實(shí)現(xiàn)。在很多情況下，銷售人員為獲得訂單而有必要進(jìn)行系統(tǒng)演示。對于最初的規(guī)范，還需要加入某些新特性和功能。不論是以前沒有發(fā)現(xiàn)的問題還是新加入的特性，F(xiàn)PGA原型開發(fā)都可以迅速進(jìn)行修改，降低較大的一次性工程成本，令生產(chǎn)周期縮短。

圖2 靈活的汽車微控制器解決方案

靈活的微控制器解決方案中的最終單元是進(jìn)行ASIC的開發(fā)。建立并測試原型系統(tǒng)后，將設(shè)計(jì)交給Altera，轉(zhuǎn)為HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC。與其他的結(jié)構(gòu)化ASIC不同，HardCopy器件使用和FPGA原型相同的 構(gòu)建模塊，因此，不必重新對設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，或者進(jìn)行更多的驗(yàn)證。使用HardCopy器件的周轉(zhuǎn)時(shí)間較短，設(shè)計(jì)人員可以很快地完成FPGA邏輯，盡可能地降低成本。

結(jié)論

　　下一代汽車電子系統(tǒng)需要采用非常專業(yè)的低成本器件，以滿足市場需求。考慮到目前工藝技術(shù)開發(fā)成本的攀升，采用傳統(tǒng)微控制器有些不切實(shí)際，而針對較大市場范圍的多功能器件價(jià)格昂貴，也不適合。相反，靈活的微控制器方案針對具體應(yīng)用開發(fā)合適的微控制器，在FPGA中實(shí)現(xiàn)原型開發(fā)。設(shè)計(jì)完成后，甚至是在設(shè)計(jì)過程中就可以立即進(jìn)行驗(yàn)證、軟件開發(fā)和現(xiàn)場測試。對于批量生產(chǎn)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)直接映射到HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC，而不用重新綜合或再次驗(yàn)證。