基于FPGA的汽車ECU設(shè)計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)(一)

汽車產(chǎn)業(yè)利用可重配置硬件技術(shù)，可靈活地綜合車載功能。

　　當(dāng)今的汽車制造商正在把越來越多的高級功能添加到汽車電子控制單元 （ECU）中，以改善駕駛體驗(yàn)，增強(qiáng)安全性，當(dāng)然還期望超過同類競爭產(chǎn)品的銷量。在這種情況下，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) （AUTOSAR） 計劃和功能安全國際標(biāo)準(zhǔn) ISO26262 正在快速成為汽車 ECU 設(shè)計的技術(shù)和架構(gòu)基礎(chǔ)。

　　為了滿足新車型日益提高的功能需求，汽車電子產(chǎn)品的密度不斷增大，FPGA 廠商也正在不斷推出更大型的器件。這些器件能夠集成所有的應(yīng)用，而且與前代器件相比，功耗更低，價格更具競爭力。這種趨勢意味著可重配置計算技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)將會得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

　　我們推出了一種具有開創(chuàng)性的方法，即使用可編程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平臺作為 ECU 的基礎(chǔ)，設(shè)計出一款能夠同時滿足 AUTOSAR 和 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的汽車 ECU。我們的設(shè)計方法對可重配置硬件的關(guān)鍵特性，比如并行性、可定制性、靈活性、冗余性和多功能性進(jìn)行了充分的探索。在概念設(shè)計完成后，我們希望在原型中實(shí)現(xiàn)設(shè)計。為此，賽靈思 Zynq?-7000 可擴(kuò)展處理平臺成為了理想選擇。該款 FPGA平臺將 ARM? 雙核 Cortex?-A9 MPCore 硬處理器和具備動態(tài)部分可重配置功能的 28 nm 賽靈思 7 系列可編程邏輯器件完美結(jié)合在一起，不但可充分滿足所需要求，而且還配備有 CAN 和以太網(wǎng)等車載網(wǎng)絡(luò)常用的片上通信控制器。

　　新興應(yīng)用

　　目前汽車計算能力借助通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的ECU來分配。在未來幾年內(nèi)，由于機(jī)動車輛中新應(yīng)用的興起，這樣的計算能力有望進(jìn)一步提高。這些新應(yīng)用包括安全和駕駛員輔助功能、車輛間通信功能、舒適性和控制功能、車載娛樂功能以及為數(shù)眾多的混合動力電動技術(shù)。毫無疑義，車輛電子設(shè)備的數(shù)量預(yù)計還會增加。根據(jù)分析人員的預(yù)測，汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場的規(guī)模將在未來五年內(nèi)以 8% 的年均復(fù)合增長率 （CAGR） 增長。其中增長最快的細(xì)分市場之一涉及到微控制器 （MCU） 和可編程邏輯器件，比如現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）。

　　在車載功能的數(shù)量和先進(jìn)性與日俱增的同時，設(shè)計和管理這些系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜，汽車制造商認(rèn)為有必要采取有效方式來解決這一難題。其結(jié)果就是當(dāng)今 AUTOSAR 和 ISO 26262 兩大標(biāo)準(zhǔn)都在影響著實(shí)際汽車 ECU 軟硬件系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計和部署方式（見側(cè)邊欄）。

　　2003 年由多家汽車制造商共同制定的 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)旨在為分布于車輛中的 ECU 定義標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)。而 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的目的則以功能安全性為中心，實(shí)質(zhì)上是以避免或檢測并處理故障為目的，從而減輕故障影響并防止出現(xiàn)對任何既有的系統(tǒng)安全目標(biāo)的違反行為。隨著全新的安全關(guān)鍵功能（比如駕駛員輔助或動態(tài)控制）的推出，功能安全性已經(jīng)成為汽車開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)于 2011 年批準(zhǔn)生效，可為軟硬件的安全開發(fā)提供支持。

　　因此，整個ECU 的設(shè)計和開發(fā)流程由需要系統(tǒng)性進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。我們的工作就是設(shè)計一款高性價比嵌入式計算平臺，采用可重配置硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　AUTOSAR 和 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)主要從軟件開發(fā)的角度著眼，面向的是基于微控制器單元的計算平臺。但是，硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計和可重配置計算技術(shù)的應(yīng)用可為這個領(lǐng)域帶來眾多優(yōu)勢。雖然標(biāo)準(zhǔn)的 MCU 往往是汽車 ECU 硬件平臺的最佳選擇，但隨著新型 FPGA成本的不斷降低，加上部分 FPGA 產(chǎn)品內(nèi)部集成有硬核處理器，使得 FPGA 器件也成為這個市場中值得廣泛應(yīng)用的理想解決方案。此外，汽車中不斷集成新的嵌入式功能的趨勢也提出了對并行計算架構(gòu)的需求。這在當(dāng)今的車載信息娛樂領(lǐng)域尤為明顯，在這種領(lǐng)域中高速數(shù)字信號處理正在敞開大門迎接 FPGA 技術(shù)。像賽靈思這樣的可編程邏輯供應(yīng)商和像 MathWorks 這樣的 EDA 工具廠商已對這個領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯的興趣。

　　為了在汽車應(yīng)用中發(fā)揮可重配置硬件的全部優(yōu)勢，我們將以關(guān)于部署最終用戶功能的汽車計算網(wǎng)絡(luò)中最為重要的 ECU 之一——“車身控制器模塊”為重點(diǎn)，通過使用案例展現(xiàn)這種技術(shù)的潛力。該ECU也稱為“車身域控制器”，負(fù)責(zé)綜合和控制車輛中主要的電子車身功能，比如擋風(fēng)玻璃雨刷/噴水系統(tǒng)、車燈、搖窗器、引擎點(diǎn)火/熄火、車外后視鏡和中控鎖。我們的目標(biāo)是在FPGA平臺上設(shè)計出一款配備有安全關(guān)鍵功能且符合 AUTOSAR 的 ECU 系統(tǒng)。