基于FPGA的汽車ECU設(shè)計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準（三）

圖5顯示了一個采用賽靈思 Virtex?-4 FPGA 部署的 ECU 系統(tǒng)的示例，由一個靜態(tài)域和一個部分可重配置域構(gòu)成。靜態(tài)域集成了一個MicroBlaze軟核處理器和一個基于 ICAP 的重配置控制器，部分可重配置域 （PRR） 則發(fā)揮著共享資源的作用，負責在不同時間換入和換出不同的功能任務(wù)或應用。

　　最后，如果將前述的構(gòu)想發(fā)揮到極致，可以設(shè)計出一種通用汽車 ECU 平臺。這種平臺可以在生產(chǎn)線上進行配置并針對汽車中特定的 ECU 功能進行定制。這種構(gòu)想在技術(shù)上借助可重配置硬件具有可行性，能夠簡化制造廠的物流要求，將存貨壓低到最低水平。這是因為從硬件的角度來看，在生產(chǎn)線上組裝的模塊對所有車輛都是一樣的，都采用單一平臺設(shè)計或產(chǎn)品架構(gòu)（基于靈活的硬件）。只有可下載的位流會讓 ECU 的功能具有差異。

　　
圖5 在由部分可重配置域和靜態(tài)域構(gòu)成的運行時可重配置 FPGA 中實現(xiàn)的汽車 ECU 應用的空間分區(qū)和臨時分區(qū)

　　高集成度ECU

　　在當今的汽車產(chǎn)業(yè)中，有約 90% 的創(chuàng)新來自汽車電子設(shè)備，而且這個勢頭方興未艾。未來汽車將采用非常先進的軟硬件技術(shù)，實現(xiàn)大量的新功能，比如自動駕駛、車輛間通信、娛樂以及和更高安全性。但是，對在這個以大批量制勝的產(chǎn)業(yè)而言，控制車載嵌入式系統(tǒng)的成本對汽車制造商極其重要。因此，當前的趨勢是在減少車輛中的 ECU 數(shù)量的同時讓每個 ECU 發(fā)揮強勁的功能。要實現(xiàn)這個目標需要功能更加強大的計算平臺。

　　許多行業(yè)參與方共同采用的方法是開發(fā)用作域控制器的高集成度 ECU。就是將多個單核處理器或微控制器布置在同一開發(fā)板上，共享總線連接和其他資源，旨在從整車的角度降低系統(tǒng)復雜性。這種趨勢讓我們聯(lián)想到可以將可重配置硬件用于 ECU 的設(shè)計，從而在有效提高計算并行性，降低 PCB 的復雜性的同時，實現(xiàn)最高性價比解決方案。

　　這種設(shè)計方法雖然在我們的工作中尚處于萌芽階段，卻為將 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準與運行時可重配置硬件融合用于軟/硬件聯(lián)合設(shè)計，實現(xiàn)完整的車載嵌入式 ECU 系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。實際上，雖然目前 AUTOSAR 還沒有覆蓋到可重配置硬件，但我們不排除將來有這種可能。基于 SRAM 的運行時可重配置 FPGA 已用于航空航天應用，能夠滿足容易導致 SEU 的更為惡劣的環(huán)境條件的要求，況且汽車行業(yè)從歷史上看有借鑒航空航天行業(yè)率先開創(chuàng)的風氣的習慣。另外，在市場上已經(jīng)存在某些合格的用于實現(xiàn)基于 FPGA 的安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方法和工具，而且行業(yè)中涉及 FPGA 器件的標準也已經(jīng)存在有相當長時間，比如用于規(guī)范航空電子業(yè)組件和系統(tǒng)設(shè)計的 DO-254 標準。

　　聯(lián)合設(shè)計帶來模式變革

　　因此，我們的工作將掀起汽車產(chǎn)業(yè)計算模式的變革。在特定的 ECU 應用場景中，純軟件的解決方案將被軟/硬件聯(lián)合設(shè)計和可重配置計算技術(shù)所取代。這是因為采用馮諾依曼型 MCU 的純軟件方法由于性能、復雜性和安全性方面的局限，已不敷使用?？删幊踢壿嫾夹g(shù)的價格的不斷降低，加上汽車電子控制單元性能需求的不斷走高，將在不久的將來把這場變革變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　兩大關(guān)鍵標準

　　汽車產(chǎn)業(yè)在設(shè)計車載電子設(shè)備時已將兩項關(guān)鍵標準奉為圭皋。其中一項標準是 AUTOSAR，它通過適當?shù)能浻布軜?gòu)解決嵌入式系統(tǒng)復雜性問題。另一項標準是即將推出的 ISO 26262，用于管理功能安全性。AUTOSAR提出的以及 ISO 26262 采用的相關(guān)技術(shù)課題主要為安全問題的檢測和處理，比如運行時發(fā)生的硬件故障、時序失常和應用執(zhí)行的邏輯順序打亂、數(shù)據(jù)損壞等。

　　AUTOSAR詳解

　　近年來，電子組件已經(jīng)取代了車輛中的機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。隨著設(shè)計人員開始用軟件實現(xiàn)更多的控制、監(jiān)控和診斷功能，這種趨勢正在持續(xù)。實際上，用電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)僅用機械和液壓解決方案無法開發(fā)者開發(fā)成本高的新功能。但這些部件必須滿足嚴格的安全要求，以避免出錯和故障。