如何在FPGA內(nèi)實現(xiàn)最佳化車用MCU設(shè)計方案？

　　在汽車電子中廣為采用的微控制器(MCU)正快速面臨時間和成本的壓力。使用MCU的主要優(yōu)勢一直以來都是‘創(chuàng)造具有高性價比的高階系統(tǒng)整合’。然而，在此一優(yōu)勢之下，有一些與元件本身相關(guān)的潛在成本是超乎于其單價水平的。例如，若選用的元件無法創(chuàng)造所需特性，則必須增加外部邏輯、軟件或其它整合元件。

　　再者，目前汽車終端市場對于需求的變化屢見不鮮，以至MCU很快就變得不適用;許多具有專門特性以及固定專用界面數(shù)量的MCU，經(jīng)過短暫的評估后即無法滿足市場需求。因此，系統(tǒng)供應(yīng)商不得不重新設(shè)計硬件及編寫相關(guān)軟件，在某些情況下，甚至必須更換處理器核心。

　　MCU的困境

　　MCU制造商正被迫面對會為整個市場帶來巨大影響的挑戰(zhàn)。MCU是針對應(yīng)用而設(shè)計的元件;因此必須針對個別應(yīng)用，設(shè)計具有不同性能組合的新元件。要以一個單一核心架構(gòu)來滿足這個廣大市場，制造商必須提供多款MCU系列，提供不同的界面與功能。而市場上大部分的實例顯示，目前的特性組合無法具體滿足客戶的需求，為了能夠量產(chǎn)，必須在一個特定核心架構(gòu)上改變新界面與功能。

　　過去的MCU是以舊有技術(shù)搭配相對低的制造成本來實現(xiàn)，在過去這是個成功的方法。但現(xiàn)在，為實現(xiàn)更高階的系統(tǒng)整合，廠商不斷采用先進(jìn)制程技術(shù)，開發(fā)新的變種MCU所需費用變得相當(dāng)可觀。由于只有少數(shù)客戶會下訂單，因此，為滿足單一客戶需求而生產(chǎn)如此特殊的元件便不再具有商業(yè)意義。

　　因此，新的變種MCU被設(shè)計成具備越來越豐富的特性，以吸引整體市場，它正向標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品發(fā)展，不再是針對特殊應(yīng)用的元件。然而雖然這些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的功能非常強(qiáng)大，但其成本也相對大幅增加，最后變得更難滿足諸如汽車電子等對成本非常敏感的市場。

　　除了改變引起問題的根源——芯片上的固定功能，我們別無他法。很明顯的，我們需要一種新的設(shè)計方法。

圖1：此汽車資訊娛樂平臺具有多個子系統(tǒng)、可擴(kuò)展界面以及功能。

　　靈活的MCU概念

　　打破這個僵局的方法，是使用FPGA在芯片上實現(xiàn)靈活的功能。FPGA能顯著縮短工程開發(fā)時間以及降低多次芯片返工成本，為MCU提供一個強(qiáng)而有力的可行替代方案。例如，采用基于FPGA的方法為汽車音響和導(dǎo)航設(shè)備開發(fā)一個靈活的繪圖系統(tǒng)，可將開發(fā)時間縮短6個月。

　　與不具備所需特性的MCU不同的是，在設(shè)計過程中，可根據(jù)需要對FPGA進(jìn)行編程和改編，以加快原型產(chǎn)生速度及產(chǎn)品上市時間。若需求改變，還可在現(xiàn)場對FPGA進(jìn)行升級——即使元件已被安裝在產(chǎn)品內(nèi)。

　　相較于傳統(tǒng)控制器，F(xiàn)PGA已成為汽車?yán)L圖控制器所采用的主要設(shè)計方法。雖然為了諸如繪圖等獨立功能所設(shè)計的低價FPGA能廣泛地為汽車市場所接受，但為實現(xiàn)可編程能力，仍需在芯片上做出巨額投資，因此擴(kuò)增的復(fù)雜功能也將使得可編程元件價格趨于昂貴。

　　但隨著目前已能從FPGA無縫轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化ASIC，一個靈活的微控制器已兼具了價格競爭力，它從一個預(yù)定義的大型元件庫與可擴(kuò)展建構(gòu)模組中所選取的性能也可以具體滿足客戶需求。

　　它與傳統(tǒng)MCU的主要區(qū)別在于，從原型FPGA到最終MCU的無縫轉(zhuǎn)換過程。CPU和匯流排架構(gòu)對靈活的MCU概念來說都是特殊的，且對于特定客戶應(yīng)用，它們可將所需特定功能及特性映射到設(shè)計中。

圖2：FPGA到ASIC整合提升了控制器的性能和特性。