采用靈活的汽車FPGA來提高片上系統(tǒng)級集成和降低物料成本

PLD 不僅可集成信號傳輸能力，而且還提供了將整個系統(tǒng)包含在單個可編程器件上的能力，這也包括處理器。通過將整個設(shè)計(jì)放在單個芯片上，設(shè)計(jì)者可以減少電路板上的元件數(shù)量及相關(guān)連接，從而構(gòu)成一個可伸縮、便攜和可靠的系統(tǒng)。例如，色溫是車載顯示器開發(fā)者需要面對的許多圖像增強(qiáng)問題之一。世界上的不同區(qū)域?qū)ι珳貎?yōu)選參數(shù)的要求不同。通過使用 PLD 創(chuàng)建一種可伸縮的色溫調(diào)節(jié)解決方案，該解決方案可在許多地理區(qū)域內(nèi)使用，支持多種顯示器類型，只需針對地理上優(yōu)選的色溫設(shè)置進(jìn)行微小的調(diào)節(jié)。平臺可伸縮性和設(shè)計(jì)可靠性絲毫未減，同時還可以節(jié)省成本。

大多數(shù) PLD 具有內(nèi)置時鐘調(diào)理功能，以便進(jìn)行占空比校正，和時鐘管理器，以允許進(jìn)行時鐘控制。時鐘

圖像縮放需求同樣可以采用 PLD 來解決。以實(shí)時圖像尺寸調(diào)整為例。線路緩沖器和系數(shù)組可通過塊 RAM 來實(shí)現(xiàn)。其他所有東西，包括垂直和水平乘法器、加法樹、定序器與控制等，可使用 PLD 內(nèi)的基本邏輯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時垂直和水平乘法器之間無需進(jìn)行中間緩沖，因而不存在幀延遲。

目前許多汽車遠(yuǎn)程信息處理應(yīng)用需要高性能視頻和圖像處理能力。PLD 擁有大量特性，使得它們特別適合處理各種應(yīng)用，如導(dǎo)航系統(tǒng)和后座娛樂/視頻等，純粹從架構(gòu)角度來看，采用 PLD 將提供各種性能優(yōu)勢。例如，F(xiàn)PGA 中的分布式 RAM 用于存儲 DSP 系數(shù)和 FIR 濾波器，可提供高存儲器帶寬。雙端口塊 RAM 針對數(shù)據(jù)緩沖和存儲進(jìn)行了優(yōu)化，并可用于 FFT 等應(yīng)用。使用由嵌入式乘法器和累加器構(gòu)建的 MAC，PLD 還可每秒執(zhí)行幾十億次 MAC 運(yùn)算。PLD 中的大量乘法器還可用于創(chuàng)建并行乘法器陣列，支持復(fù)雜的高性能 DSP 任務(wù)，而傳統(tǒng)的 DSP 只能限于執(zhí)行串行處理。嵌入式 SRL16 由寄存器和 LUT 構(gòu)成，支持多通道數(shù)據(jù)路徑的高效實(shí)現(xiàn)。通過支持構(gòu)建高效的時分復(fù)用 (TDM) 硬件結(jié)構(gòu)，它們還可極大地提高 FPGA 計(jì)算強(qiáng)度。

　　圖 1：傳統(tǒng) DSP 與 FPGA DSP 比較

簡單使用 PLD，開發(fā)者可以充分利用其靈活架構(gòu)和分布式 DSP 資源，如查找表 (LUT)、寄存器、乘法器和存儲器等。通過遍布器件的分布式 DSP 資源、分段式布線和組件使用，F(xiàn)PGA 可以使算法在器件中最佳地實(shí)現(xiàn)。例如，設(shè)計(jì)者可以調(diào)整陣列的尺寸，使之適合準(zhǔn)確的計(jì)算要求，特別適用于對圖像進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算可以對幾組像素進(jìn)行，例如對離散余弦變換 (DCT) 塊和圖像中的其他塊并發(fā)進(jìn)行計(jì)算，而不必順序掃描整個圖像。而且由于現(xiàn)在處理可以實(shí)時完成，因此使用 PLD 時緩沖像素值對存儲器的需求減少。 

盡管傳統(tǒng)的可編程 DSP 可滿足寬范圍的應(yīng)用，但其具有自己的限制。例如，傳統(tǒng) DSP 受其架構(gòu)束縛，具有固定數(shù)據(jù)寬度和有限的 MAC 單元，因此其串行處理方式限制了其數(shù)據(jù)吞吐率。這迫使系統(tǒng)必須以較高的時鐘頻率運(yùn)行，以提高數(shù)據(jù)吞吐率，但卻產(chǎn)生了一系列其他挑戰(zhàn)。同時，它采用多個 DSP 來滿足帶寬需求，產(chǎn)生功耗和電路板空間問題。通過使用 PLD，設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)解決更高性能、高質(zhì)量、實(shí)時顯示器挑戰(zhàn)所需的定制解決方案。PLD，憑借其靈活架構(gòu)和 DSP 資源，可同時支持串行和并行處理。通過選用并行處理，系統(tǒng)具有了在單個時鐘周期內(nèi)最大化其數(shù)據(jù)吞吐率的潛力。再次，設(shè)計(jì)者可以調(diào)整陣列的尺寸以適應(yīng)特定的處理需求。 

那些通常通過定制、離散 ASIC、ASSP 或圖像處理器來解決的問題，找到了在 PLD 中的解決方法。例如，在高分辨率 LCD 監(jiān)視器的伽馬校正需求中有一種 DSP 圖像增強(qiáng)應(yīng)用。伽馬校正控制著圖像的總體亮度。它還會影響某種特定顏色表現(xiàn)的色調(diào)，影響紅到綠到藍(lán)的比例。所有圖像源均假定顯示設(shè)備具有非線性的亮度輸入輸出函數(shù)，稱為伽馬函數(shù)，公式為 Vout = Vin^y，其中 y 一般在 2.2 到 2.8 之間。如果這種偏差沒有得到校正，輸出顯示將呈現(xiàn)具有很小色飽和度的蒼白顯示。在 PLD 中，RGB 空間的伽馬校正一般通過動態(tài)更新 LUT 以便在輸出端顯示適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)來完成。若把 8 位和 10 位 LUT 近似進(jìn)行比較，很顯然 10 位分辨率更接近理想的伽馬曲線。