基于FPGA的汽車ECU設(shè)計(jì)充分符合AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)（二）

基于 FPGA 靜態(tài)硬件的 ECU 設(shè)計(jì)

　　AUTOSAR 架構(gòu)非常適合由 CPU、存儲(chǔ)器和可編程邏輯組成的嵌入式系統(tǒng)。ECU 平臺(tái)需要一個(gè) CPU 或主機(jī)處理器來管理應(yīng)用并處理分布在應(yīng)用層的軟件組件中的不同功能。同時(shí)，MCU 層和部分基礎(chǔ)軟件層可以在可編程邏輯結(jié)構(gòu)中的硬件中綜合。因此，除了能夠?qū)崿F(xiàn)與 CPU 相連的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，其它定制外設(shè)和協(xié)處理器也能夠在硬件中并存，并在軟件中完全或部分地加以管理。

　　另外從功能安全的角度來看，專用協(xié)處理器或內(nèi)核處理器也非常適用，因?yàn)橛盟鼈儗?shí)現(xiàn)功能可讓硬件從源頭避免干擾，即便要求冗余性，也能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來高靈活性。另外，居于中間的 RTE 層可以在分布于 FPGA 中的 RAM 模塊中，或者在嵌入在器件邏輯單元中的觸發(fā)器中以及外部存儲(chǔ)器中綜合。而且，RTE 信號(hào)接口經(jīng)簡單設(shè)計(jì)就能夠同時(shí)進(jìn)行讀寫操作（通過單端口存儲(chǔ)器）或限制架構(gòu)僅進(jìn)行讀操作或者寫操作（通過配有兩個(gè)獨(dú)立讀寫端口的單個(gè)雙端口存儲(chǔ)器），以防范干擾，比如 AUTOSAR 所定義的彼此對(duì)應(yīng)的發(fā)送器和接收器軟件端口。

　　
圖2 將 AUTOSAR ECU 架構(gòu)移植到 FPGA 平臺(tái)上

　　建議將基于 MCU 的 AUTOSAR ECU 架構(gòu)移植到可擴(kuò)展處理平臺(tái) （EPP） 或者 FPGA 器件上，并在各層中確保清晰的系統(tǒng)分區(qū)，如圖 2 所示。位于 RTE 層以下的有操作系統(tǒng) （OS）、存儲(chǔ)器協(xié)議棧、通信協(xié)議棧、I/O 協(xié)議棧等。位于 RTE 層以上的是軟件組件，它們用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用并通過 AUTOSAR 接口與 RTE 進(jìn)行通信。

　　由于 AUTOSAR 架構(gòu)內(nèi)在的復(fù)雜性，需要功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算平臺(tái)才能進(jìn)行部署。如今，典型的 ECU 設(shè)計(jì)基于運(yùn)行在 MCU 平臺(tái)上的 32 位單核處理器。但是單核越來越難以提供所需的全部計(jì)算能力。而使用多核 CPU 需要通過多處理器總線和仲裁機(jī)制共享程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，往往會(huì)導(dǎo)致高度復(fù)雜的解決方案，造成性能劣化。

　　作為這種方案的替代，我們提出了一種基于可編程邏輯的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)只采用一個(gè)單核處理器來發(fā)揮主機(jī) CPU 的作用，但配有更智能的外設(shè)、協(xié)處理器乃至從處理器。所有這些計(jì)算單元都可以在 FPGA 架構(gòu)中例化為新的軟核處理器，比如賽靈思 PicoBlazeTM 和 MicroBlazeTM，從 FPGA 的專用 RAM 模塊運(yùn)行自己的代碼（各個(gè)軟核處理器均分別配有專用程序存儲(chǔ)器），此外，也可例化為定制的硬件加速器。兩種方式的拓?fù)浼軜?gòu)均由一個(gè)主機(jī) CPU 和分擔(dān) 部分CPU 任務(wù)的智能外設(shè)構(gòu)成，從而可降低系統(tǒng)復(fù)雜性。這樣，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)管理軟件中的整個(gè)應(yīng)用層，而定制外設(shè)則負(fù)責(zé)管理 BSW 層，這兩者以并行的方式彼此獨(dú)立地自動(dòng)運(yùn)行。此外，這種外設(shè)設(shè)計(jì)的方法的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠讓主機(jī) CPU 的軟件執(zhí)行更加線性化，即外設(shè)不會(huì)通過中斷服務(wù)程序產(chǎn)生過多的請(qǐng)求 CPU 關(guān)注的中斷。圖 3 顯示了這種系統(tǒng)的方框圖及其對(duì)應(yīng)為 FPGA 器件中綜合的功能單元的組件細(xì)分情況。

　　
圖3 在 FPGA 中部署的汽車 ECU 方框圖

　　FPGA 方法能夠?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺(tái)相媲美的系統(tǒng)性能，且和單核處理器一樣簡單易用，這主要?dú)w功于采用了可與主機(jī)處理器并行處理的功能強(qiáng)大的、自動(dòng)化定制協(xié)處理器。

　　這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺(tái)相媲美的系統(tǒng)性能，而且就軟件開發(fā)和維護(hù)而言，和單核處理器一樣簡單易行。通過使用專用硬件構(gòu)建可與主機(jī)處理器并行處理的功能更強(qiáng)大的自動(dòng)化定制協(xié)處理器，就可實(shí)現(xiàn)這種最佳平衡。

　　從概念上來說，可以通過將這些系統(tǒng)架構(gòu)用 RTE 接口劃分為頂層和底層兩個(gè)彼此獨(dú)立的主要層次來要簡化設(shè)計(jì)。頂層相當(dāng)于 AUTOSAR 的應(yīng)用層，由負(fù)責(zé)管理車輛中最終用戶功能的軟件組件構(gòu)成。而底層則由硬件和基礎(chǔ)軟件乃至 RTE 鏈路構(gòu)成。應(yīng)用層從數(shù)值上來說，可代表約 90% 的車載高級(jí)功能，而且所有 RTE 以上的源代碼都可重復(fù)利用。

　　同時(shí)，底層包含能夠賦予頂層靈活性和多用性的全部功能。這即是說，底層可完成特定硬件平臺(tái)上所有可重用功能的定制化。這樣，頂層從本質(zhì)上說是通過以有限狀態(tài)機(jī) （FSM） 形態(tài)實(shí)現(xiàn)的算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)某些車輛負(fù)載、傳感器和制動(dòng)器的控制的一套軟件功能。這些算法由 CPU 循環(huán)執(zhí)行，并在操作系統(tǒng)控制的軟件任務(wù)中調(diào)度。