在汽車(chē)娛樂(lè)電子中采用FPGA推動(dòng)的參考設(shè)計(jì)

汽車(chē)娛樂(lè)電子推動(dòng)了功能和容量的快速發(fā)展，促使設(shè)計(jì)人員在性能、成本和靈活性上做出綜合考慮。與其他汽車(chē)電子領(lǐng)域不同，多媒體圖形應(yīng)用高度可視化，其需求多變，在許多情況下甚至還沒(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)。汽車(chē)設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？删幊踢壿?，特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）便是這樣的解決方案。

在以前，專(zhuān)用集成電路（ASIC）能夠?yàn)橹圃焐烫峁┏杀拘б孑^好的芯片方案，因此，汽車(chē)圖形應(yīng)用在半導(dǎo)體方面一般選用ASIC。但是，ASIC開(kāi)發(fā)成本不斷攀升，降低批量?jī)r(jià)格、快速面市的要求以及功能復(fù)雜性的提高可能會(huì)預(yù)示著汽車(chē)市場(chǎng)中ASIC統(tǒng)治時(shí)代的結(jié)束。頂級(jí)汽車(chē)供應(yīng)商正在尋找一種最具成本效益的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其強(qiáng)大的功能和靈活性能夠滿足越來(lái)越復(fù)雜的汽車(chē)數(shù)字系統(tǒng)的需求。

專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）在汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)上是ASIC的一種替代方案。這類(lèi)產(chǎn)品的主要優(yōu)勢(shì)在于低成本。但是，ASSP具有隱含的成本，如尋找各種功能都合適的ASSP，而不必添加外部邏輯、軟件以及其他ASIC或者ASSP。而且，隨著需求的不斷變化，在設(shè)計(jì)早期可能不需要ASSP，設(shè)計(jì)一旦投產(chǎn)之后，便不再采用ASSP。

FPGA能夠顯著縮短工程開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低多芯片重復(fù)使用成本，成為汽車(chē)圖形應(yīng)用中替代ASIC和ASSP的功能強(qiáng)大而又靈活的解決方案。ASSP可能會(huì)丟失所需功能，ASIC則有隨著設(shè)計(jì)修改而必須重制的風(fēng)險(xiǎn)，而FPGA在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以進(jìn)行編程，并根據(jù)需要重新編程，實(shí)現(xiàn)更快速的原型設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品面市。如果需求變化，即使是器件已經(jīng)在車(chē)輛中投入使用了，F(xiàn)PGA也可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更新。FPGA不存在預(yù)先的ASIC流片（NRE）成本以及最小訂購(gòu)量問(wèn)題，也不存在ASSP相關(guān)的潛在成本問(wèn)題，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最具成本效益的選擇。而且，F(xiàn)PGA在通用硬件平臺(tái)上能夠重復(fù)使用的能力顯得非常重要，使設(shè)計(jì)人員能夠生成不同的系統(tǒng)，憑借一個(gè)基本設(shè)計(jì)便可以支持多種功能，從而降低制造成本。

FPGA參考設(shè)計(jì)推動(dòng)汽車(chē)圖形技術(shù)

信息娛樂(lè)應(yīng)用要求越來(lái)越復(fù)雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和DSP中實(shí)現(xiàn)，但代價(jià)是極高的成本、復(fù)雜度和功耗?？梢栽谙到y(tǒng)中加入FPGA來(lái)降低圖形系統(tǒng)的總成本、復(fù)雜度，以及性能需求。圖1所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)承載視頻輸入，覆蓋LCD屏幕上顯示的其他圖像。

圖1: 采用FPGA和主機(jī)處理器的汽車(chē)圖形控制系統(tǒng)

該參考設(shè)計(jì)在Altera Cyclone™ FPGA中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻輸入模塊和LCD圖形控制器，展示了汽車(chē)市場(chǎng)需要的低成本應(yīng)用中，F(xiàn)PGA所具有的強(qiáng)大功能和靈活性。參考設(shè)計(jì)運(yùn)行在Altera Nios II嵌入式處理器開(kāi)發(fā)板上，并加入了用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)/視頻輸入、輸出顯示驅(qū)動(dòng)電路的模塊。

視頻輸入模塊包括一個(gè)前端相機(jī)接口和用于色彩空間轉(zhuǎn)換、調(diào)整和縮放的IP，以及視頻存儲(chǔ)器接口。LCD顯示接口包括控制不同層之間以及圖象之間半透明效果的IP功能。這些輸入和輸出控制模塊是Altera SOPC Builder系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)用于將所有IP模塊進(jìn)行無(wú)縫連接。OpenGL-E圖形庫(kù)子集運(yùn)行在主機(jī)CPU中。該庫(kù)提供處理和表征位圖、幀緩沖訪問(wèn)和圖形基元繪圖的所有功能。

由于進(jìn)行透視操作、旋轉(zhuǎn)、繪制直線和多邊形、紋理操作以及相似的任務(wù)時(shí)，這些擴(kuò)展圖形應(yīng)用會(huì)占用大量的計(jì)算，因此，可能會(huì)需要一個(gè)功能非常強(qiáng)大的主機(jī)CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)OpenGL圖形庫(kù)。FPGA可做為一個(gè)協(xié)處理器架構(gòu)，卸載主機(jī)CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

圖2: 帶有硬件加速協(xié)處理器的圖形控制系統(tǒng)

圖2顯示了在參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實(shí)例。該協(xié)處理器可承載多種算法，如：

●直接blit、拉伸blit、透明、雙線性濾波、每象素alpha、著色、抗鋸齒處理等位塊圖像傳送（BLIT）操作
●任意寬度直線繪制、圓角、截角、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●三角形、四邊形等多邊形繪制、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●圓、橢圓和二次曲線截面繪制
●生成二次和三次B