FPGA為車用微控制器提升設(shè)計靈活性

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、軟體或其它整合元件。

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介面數(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)計硬體及編寫相關(guān)軟體，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，提供不同的介面與功能。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)上改變新介面與功能。

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(fèi)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——晶片上的固定功能，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)展介面以及功能。

靈活的MCU概念

打破這個僵局的方法，是使用FPGA在晶片上實現(xiàn)靈活的功能。FPGA能顯著縮短工程開發(fā)時間以及降低多次晶片返工成本，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(dú)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，仍需在晶片上做出巨額投資，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。

RISC CPU

在Altera設(shè)計概念中使用的CPU是軟RISC處理器。然而，與一般情況不同，該處理器并不是建構(gòu)在一個預(yù)先設(shè)定好、無法改變的晶片內(nèi)。相反地，它采用的作法是依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)師/設(shè)計工程師，借助可用工具定義的規(guī)格自動產(chǎn)生，并與整個電路所需的其余邏輯同時載入FPGA。因此對于特定應(yīng)用需求，可使用相關(guān)開發(fā)工具對處理器核心進(jìn)行參數(shù)化。更重要的是，它可根據(jù)所需功能以及實現(xiàn)這些所需功能所需的邏輯資源，無縫地實現(xiàn)設(shè)計。

在基于Altera的靈活MCU應(yīng)用中，Nios II嵌入式處理器采用一款帶32位元獨(dú)立位址和資料匯流排的標(biāo)準(zhǔn)RISC架構(gòu)。兩個匯流排都透過獨(dú)立快取記憶體執(zhí)行，且可獨(dú)立地連續(xù)饋送到匯流排系統(tǒng)。最后，系統(tǒng)架構(gòu)師決定對程式碼和資料采用個別記憶體或是兩者共用記憶體。任何處理器包含的功能單元都呈現(xiàn)在Nios II嵌入式處理器中，根據(jù)不同設(shè)定決定它們的特性。例如可選擇硬體乘法器、桶式移位器以及硬體除法器作為選項，同樣地，對指令和資料緩沖記憶體進(jìn)行精確的處理，其尺寸可不同或是徹底被排除在外。

匯流排架構(gòu)

傳統(tǒng)上在MCU內(nèi)一直是采用單匯流排，一個仲裁器用于監(jiān)控匯流排，以便使匯流排成為一種分散式資源。隨著作為系統(tǒng)中心資源的匯流排迅速成為一項瓶頸，這種安排導(dǎo)致了嚴(yán)重的損害。因此，在較新的系統(tǒng)，特別是在許多匯流排平行工作的系統(tǒng)級晶片(SoC)上，已開始采用多層匯流排架構(gòu)。目前FPGA的匯流排組織結(jié)構(gòu)也以相似的原則進(jìn)行，不同的是，在其他多層匯流排中所呈現(xiàn)的層數(shù)是固定的，但FPGA匯流排建構(gòu)能讓使用者依需求自由選擇層數(shù)。

當(dāng)考慮到電磁相容性(EMC)和功耗問題時，附加一個有別于整體系統(tǒng)執(zhí)行功率的周邊模組有時是合理的。舉例而言，以較高速度執(zhí)行一個記憶體介面，將可縮短存取時間，而系統(tǒng)內(nèi)其余元件便得以較低的時脈速率運(yùn)作。另一種方案是可在相對較低時脈便已足夠的地方整合多個模組。

為滿足EMC或功耗要求，采用諸如SOPC Builder等高階系統(tǒng)設(shè)計工具可輕易地將這些部分與系統(tǒng)內(nèi)以很高頻率工作的部分分離。這些工具可自動產(chǎn)生同步這些不同時脈域所需的邏輯，而設(shè)計師只需指定在一個特定時脈域中執(zhí)行哪些模組。

在FPGA內(nèi)實現(xiàn)MCU

由于汽車MCU系統(tǒng)的復(fù)雜性比純繪圖控制器要高得多，所以FPGA大多用于原型邏輯產(chǎn)生。以FPGA產(chǎn)生原型能大幅降低開發(fā)風(fēng)險，因為它能提供全面驗證、韌體開發(fā)以及現(xiàn)場測試的功能。除此之外，藉由使用FPGA產(chǎn)生原型，設(shè)計師能以‘在系統(tǒng)內(nèi)’的方式執(zhí)行元件，并以真實情境的方式運(yùn)作，以識別出一些模擬時沒被偵測出的潛在設(shè)計缺失。

軟體發(fā)展在整個開發(fā)周期中占了絕大部份。隨著軟體發(fā)展要花更長時間及更多資源，原型系統(tǒng)可縮短整個開發(fā)周期、發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺失、解決相容性問題、緩解對新硬體功能的需求，以支援無法用軟體有效處理或?qū)崿F(xiàn)的功能。

用真實系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試有助于察覺無法在實驗室發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)或元件缺陷。在許多情況，銷售人員為了說服客戶提前下單，擁有一個展示系統(tǒng)是不可或缺的。

而一些在最初規(guī)格中沒有的特性和功能也許也將成為必須。無論是因為之前沒發(fā)現(xiàn)的缺陷還是必須需增加新功能，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的原型都可以快速地被修改，無須一再花費(fèi)巨額工程成本或忍受漫長制造周期。

靈活MCU概念中的最后步驟是ASIC開發(fā)。一旦建構(gòu)并測試完原型系統(tǒng)，則可著手將設(shè)計轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化ASIC。例如，若采用Altera元件，設(shè)計立即被轉(zhuǎn)換為HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC元件。與其它結(jié)構(gòu)化ASIC不同，若采用該設(shè)計流程，則無須重新進(jìn)行設(shè)計合成或花費(fèi)額外的驗證周期，因這些元件采用的是與其FPGA互補(bǔ)的構(gòu)件。

采用該結(jié)構(gòu)化ASIC流程提供的快速轉(zhuǎn)換速度能讓設(shè)計師快速簽核FPGA邏輯，因而實現(xiàn)快速、低成本的轉(zhuǎn)換。

本文小結(jié)

下一代汽車電子系統(tǒng)需要高度專用、成本最佳化的元件以滿足市場需求。考慮到先進(jìn)制程技術(shù)開發(fā)成本的急劇成長，對傳統(tǒng)MCU針對特殊應(yīng)用而設(shè)計的作法在商業(yè)考量上已不再適用。

針對廣泛應(yīng)用市場所設(shè)計的功能豐富型元件也因為過于昂貴而漸被市場淘汰。取而代之的則是靈活的MCU概念，只要將它安置在FPGA中來產(chǎn)生原型，就能提供為特定應(yīng)用開發(fā)恰到好處MCU的程序。設(shè)計完成后，甚至在設(shè)計過程中可立即進(jìn)行驗證、軟體發(fā)展和現(xiàn)場測試。

為進(jìn)行量產(chǎn)，F(xiàn)PGA設(shè)計被直接映射為一個結(jié)構(gòu)化ASIC而無須重新合成或額外驗證。不只是軟體發(fā)展，該方法實現(xiàn)了將硬體定義掌控在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計師手中。創(chuàng)造了一種與當(dāng)今任何固定功能MCU相比，均可花費(fèi)更少時間以及更低成本的應(yīng)用最佳化車用MCU。