基于FPGA參考設計解決方案降低汽車電子制造的復雜性

汽車娛樂電子推動了功能和容量的快速發展，促使設計人員在性能、成本和靈活性上做出綜合考慮。與其他汽車電子領域不同，多媒體圖形應用高度可視化，其需求多變，在許多情況下甚至還沒有建立標準。汽車設計人員需要一個能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？?a target="_blank">編程邏輯，特別是現場可編程門陣列（FPGA）便是這樣的解決方案。

在以前，專用集成電路（ASIC）能夠為制造商提供成本效益較好的芯片方案，因此，汽車圖形應用在半導體方面一般選用ASIC。但是，ASIC開發成本不斷攀升，降低批量價格、快速面市的要求以及功能復雜性的提高可能會預示著汽車市場中ASIC統治時代的結束。頂級汽車供應商正在尋找一種最具成本效益的設計平臺，其強大的功能和靈活性能夠滿足越來越復雜的汽車數字系統的需求。

專用標準產品（ASSP）在汽車和消費類市場上是ASIC的一種替代方案。這類產品的主要優勢在于低成本。但是，ASSP具有隱含的成本，如尋找各種功能都合適的ASSP，而不必添加外部邏輯、軟件以及其他ASIC或者ASSP。而且，隨著需求的不斷變化，在設計早期可能不需要ASSP，設計一旦投產之后，便不再采用ASSP。

FPGA能夠顯著縮短工程開發時間，降低多芯片重復使用成本，成為汽車圖形應用中替代ASIC和ASSP的功能強大而又靈活的解決方案。ASSP可能會丟失所需功能，ASIC則有隨著設計修改而必須重制的風險，而FPGA在設計過程中，可以進行編程，并根據需要重新編程，實現更快速的原型設計，加快產品面市。如果需求變化，即使是器件已經在車輛中投入使用了，FPGA也可以現場進行更新。FPGA不存在預先的ASIC流片（NRE）成本以及最小訂購量問題，也不存在ASSP相關的潛在成本問題，它是系統設計最具成本效益的選擇。而且，FPGA在通用硬件平臺上能夠重復使用的能力顯得非常重要，使設計人員能夠生成不同的系統，憑借一個基本設計便可以支持多種功能，從而降低制造成本。

FPGA參考設計推動汽車圖形技術

信息娛樂應用要求越來越復雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和DSP中實現，但代價是極高的成本、復雜度和功耗?？梢栽谙到y中加入FPGA來降低圖形系統的總成本、復雜度，以及性能需求。圖1所示為一個標準的圖形參考設計，該設計承載視頻輸入，覆蓋LCD屏幕上顯示的其他圖像。

圖1: 采用FPGA和主機處理器的汽車圖形控制系統

該參考設計在Altera Cyclone? FPGA中實現了一個視頻輸入模塊和LCD圖形控制器，展示了汽車市場需要的低成本應用中，FPGA所具有的強大功能和靈活性。參考設計運行在Altera Nios II嵌入式處理器開發板上，并加入了用于實現相機/視頻輸入、輸出顯示驅動電路的模塊。

視頻輸入模塊包括一個前端相機接口和用于色彩空間轉換、調整和縮放的IP，以及視頻存儲器接口。LCD顯示接口包括控制不同層之間以及圖象之間半透明效果的IP功能。這些輸入和輸出控制模塊是Altera SOPC Builder系統的組成部分，該系統用于將所有IP模塊進行無縫連接。OpenGL-E圖形庫子集運行在主機CPU中。該庫提供處理和表征位圖、幀緩沖訪問和圖形基元繪圖的所有功能。

由于進行透視操作、旋轉、繪制直線和多邊形、紋理操作以及相似的任務時，這些擴展圖形應用會占用大量的計算，因此，可能會需要一個功能非常強大的主機CPU來實現OpenGL圖形庫。FPGA可做為一個協處理器架構，卸載主機CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

圖2: 帶有硬件加速協處理器的圖形控制系統

圖2顯示了在參考設計系統中加入圖形加速協處理器的實例。該協處理器可承載多種算法，如：

●直接blit、拉伸blit、透明、雙線性濾波、每象素alpha、著色、抗鋸齒處理等位塊圖像傳送（BLIT）操作
●任意寬度直線繪制、圓角、截角、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●三角形、四邊形等多邊形繪制、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●圓、橢圓和二次曲線截面繪制
●生成二次和三次Bézier曲線

加入協處理器后，對主機CPU的CPU要求會顯著降低。當然會使用更多的FPGA資源，但是系統設計人員可以自由選擇在硬件中采用何種算法，具體在軟件中采用哪種以優化大部分關鍵系統要求（速度、功耗、成本等）。

我們可以進一步延伸該卸載范例，采用FPGA中實現的處理器將其他處理任務放在FPGA中。這樣還具有減少系統元件和外部主機CPU的優點。圖3顯示了如何在FPGA中采用Nios II處理器實現其余軟件控制任務（如抗鋸齒處理和OpenGL兼容等）的圖形參考設計。

圖3: 在FPGA中實現帶有主機CPU的圖形控制系統

平臺概念——多種小變化

通過在汽車圖形系統中采用FPGA，相同的平臺可用于解決不同的市場需求。圖4顯示了怎樣以單個通用平臺開始，進行多種變化來滿足不同的市場需求，而不必重制ASIC或者建立并調試新的電路板。

本文闡述的多種汽車參考設計說明了這種概念是如何工作的。根據市場需求，采用單個工作參考平臺來實現多種圖形控制器模塊衍生。通過使用標準IP和參考設計，開發團隊能夠將精力（和花費）集中在如何使產品領先于競爭對手，滿足客戶的要求，而不必耗費在基本編程上。而且，使用FPGA并不排除以后采用ASIC。由于所有的基本IP在未來器件系列中可以重復使用，因此FPGA中實現的設計可以移植到Altera HardCopy器件等結構化ASIC或者完全定制的ASIC中。

結論

在發動機倉、乘客車廂內以及外部診斷系統中，FPGA為成功的系統設計提供了靈活的低風險途徑——降低了制造的復雜性，實現了最佳成本效益。FPGA可用作簡單膠合邏輯以及不同組件間的接口橋接——有助于實現標準組件、微處理器和系統總線間的通信。FPGA還可以擴展特性，集成內核系統功能以替代ASSP和ASIC。

當考慮到不斷增加的復雜度和及時面市的壓力時，盡管汽車應用需要合適的ASIC以實現大批量產品，但是FPGA仍舊能夠滿足甚至超越總工程成本目標。FPGA中實現的低成本結構和豐富的器件資源組合使設計人員能夠為這種批量產品應用提供全面而又經濟的解決方案。而且，由于FPGA所具有的靈活性，不必對整體平臺進行昂貴的重新設計，便可以迅速改進這些設計以滿足多變的市場需求并細化產品。

責任編輯：gt