實(shí)現(xiàn)靈活的汽車電子設(shè)計(jì)方案

微控制器在汽車和消費(fèi)類市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠以相對(duì)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(wèn)題。例如，如果元件功能不切合要求，就必須采用外部邏輯、軟件或其他集成器件來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。此外，隨著最終市場(chǎng)需求的迅速變化，微控制器會(huì)很快過(guò)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(guò)短期試用后，并不能完全滿足市場(chǎng)需求，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(duì)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(chǎng)的兩難問(wèn)題。微控制器是專用產(chǎn)品，因此，對(duì)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(lái)應(yīng)對(duì)更廣闊的市場(chǎng)，生產(chǎn)商提供系列微控制器，其型號(hào)接口和功能各不相同?？墒沁@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(kāi)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(lái)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(kāi)發(fā)新型微控制器的成本大大增加。只有很少的客戶需求有很大的產(chǎn)量，這表明專門
針對(duì)一個(gè)客戶來(lái)生產(chǎn)這類專用器件不再是可行的商業(yè)行為。結(jié)果是新型微控制器趨向于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品而不是專用器件，其功能越來(lái)越多，以吸引整個(gè)市場(chǎng)。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，更難應(yīng)用于對(duì)成本敏感的市場(chǎng)，如汽車和消費(fèi)類電子。不從根本上著手芯片功能，很難解決這一兩難問(wèn)題。

靈活的微控制器解決方案

對(duì)該問(wèn)題一種可能的解決方案是采用FPGA來(lái)靈活地實(shí)現(xiàn)芯片功能。這些器件大大縮短了工程開(kāi)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(guò)程中，F(xiàn)PGA不像微控制器那樣會(huì)漏掉某些特性，它可以編程，并根據(jù)需要重新編程，快速完成原型開(kāi)發(fā)，更迅速地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。如果需求變化了，甚至還可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行更新——即使是器件已經(jīng)在產(chǎn)品中應(yīng)用了。

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，如圖1所示。盡管汽車市場(chǎng)需要低成本FPGA來(lái)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)雜功能的成本太高了。





汽車信息娛樂(lè)平臺(tái)

而靈活的微控制器不但性價(jià)比好，而且非常切合用戶需求。以采用了90nm結(jié)構(gòu)化的ASIC，AlteraHardCopy器件為例，它性價(jià)比高，作為基本芯片，其功能在大量經(jīng)過(guò)預(yù)定義和靈活的構(gòu)建模塊庫(kù)中進(jìn)行選擇，可以針對(duì)客戶需求進(jìn)行定制。

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(duì)總線監(jiān)控，分配資源。這對(duì)總線而言非常不利，作為系統(tǒng)的中心資源，它很快就成為瓶頸。因此，較新的系統(tǒng)采用多層總線，特別是多條總線并行工作的SoC。

考慮到EMC和功耗問(wèn)題，有時(shí)可以采用和系統(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(chǔ)器接口，使訪問(wèn)時(shí)間相對(duì)較短，而系統(tǒng)其他部分運(yùn)行在較低時(shí)鐘速率時(shí)，這種方法比較有用。還可以將許多采用低時(shí)鐘速率便能夠工作的模塊整合到一起。為滿足EMC或者功耗要求，使用SOPC Builder等工具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(kāi)。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)人員只需要指定哪些模塊運(yùn)行在給定的時(shí)鐘域上。

在FPGA中實(shí)現(xiàn)微控制器

由于這類系統(tǒng)要比簡(jiǎn)單的圖像控制器復(fù)雜得多，在大多數(shù)情況下，F(xiàn)PGA被用作原型開(kāi)發(fā)工具。采用FPGA作為原型大大降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，它可以進(jìn)行全面的驗(yàn)證、固件開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

使用FPGA進(jìn)行原型開(kāi)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(cè)試。這樣，工程師能夠確定仿真過(guò)程中難以發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計(jì)缺陷。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)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(méi)有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題還是加入新特性，F(xiàn)PGA原型開(kāi)發(fā)可以迅速進(jìn)行修改，不但沒(méi)有較大的一次性工程成本，而且生產(chǎn)周期較短。

靈活的微控制器解決方案中的最終單元是ASIC開(kāi)發(fā)。建立并測(cè)試原型系統(tǒng)后，Altera可將其轉(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(duì)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)人員可以很快完成FPGA邏輯，有效降低成本。

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(chǎng)需求?？紤]到目前工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)成本的攀升，對(duì)傳統(tǒng)微控制器進(jìn)行專門處理有些不切實(shí)際。而針對(duì)較大市場(chǎng)范圍的多功能器件價(jià)格昂貴，也不實(shí)用。相反，靈活的微控制器方案針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)合適的微控制器，在FPGA中實(shí)現(xiàn)原型開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)完成后，甚至是在設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以立即進(jìn)行驗(yàn)證、軟件開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。對(duì)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，而不用重新綜合或者再次驗(yàn)證。