利用FPGA協(xié)處理器優(yōu)化汽車信息娛樂和信息通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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娛樂電子正成為豪華汽車之間差異化的主要方面，因而推動了其性能和功能的快速發(fā)展。如何折衷考慮性能、成本和靈活性要求是設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。高端應(yīng)用包括衛(wèi)星收音機(jī)、后座娛樂、導(dǎo)航、各種類型的音頻回放、語音合成和識別，以及其它新的應(yīng)用。
汽車娛樂系統(tǒng)用的核心技術(shù)與傳統(tǒng)的汽車應(yīng)用有本質(zhì)的區(qū)別。與汽車電子的其它領(lǐng)域不同，這些娛樂應(yīng)用是天天要用的，需求也不斷在發(fā)生變化。另外，過時(shí)的娛樂系統(tǒng)將成為新車銷售的主要障礙，并且會影響汽車轉(zhuǎn)售價(jià)格和出租價(jià)格。
車載娛樂系統(tǒng)的技術(shù)要求
傳統(tǒng)的汽車電子為具有較長產(chǎn)品壽命、更寬溫度范圍和低成本要求的全面標(biāo)準(zhǔn)化推動，車載娛樂系統(tǒng)基本上也要滿足這些要求。設(shè)計(jì)工程師不但需要設(shè)計(jì)長壽命的系統(tǒng)，并且要能適應(yīng)系統(tǒng)功能的快速發(fā)展。這些要求需要很強(qiáng)的靈活性和性能，這是以傳統(tǒng)的特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)所不能提供的。
現(xiàn)在設(shè)計(jì)的車載娛樂系統(tǒng)的基本架構(gòu)能夠支持平板顯示器，通過圖形化的人機(jī)界面可以顯示動態(tài)地圖和汽車信息。這些架構(gòu)周邊有高度標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器、各種標(biāo)準(zhǔn)接口以及支持低端圖形處理的簡單硬件加速器。這種架構(gòu)能夠以非常低的成本滿足汽車市場的中等級娛樂系統(tǒng)要求，也能擴(kuò)展到高端應(yīng)用以適合頂級豪華汽車市場要求，視頻圖像處理和通信是典型的頂級應(yīng)用例子。支持這些應(yīng)用的各種標(biāo)準(zhǔn)包括視頻的MPEG2、MPEG4和H.264，以及通信的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、衛(wèi)星收音機(jī)、衛(wèi)星電視、數(shù)字視頻廣播和WiFi，這些標(biāo)準(zhǔn)都依賴于不斷發(fā)展的多種信號處理算法，這些算法需要特別高的可編程處理性能。
目前有三種半導(dǎo)體技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)這些高度復(fù)雜的算法，這三種技術(shù)分別是可編程數(shù)字信號處理器(DSP)、ASSP和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。DSP是一種高性能可編程處理器，專門設(shè)計(jì)用于信號處理，DSP處理器靈活性高、功耗低、性價(jià)比也較高，但沒有硬件加速功能，不能提供當(dāng)今高級圖像處理和無線通信算法所需的計(jì)算能力；通常內(nèi)含DSP處理器的ASSP能夠?yàn)楹唵我曨l或通信標(biāo)準(zhǔn)提供優(yōu)化解決方案，但不能被編程以適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)；而FPGA不僅具有很高的處理性能，而且可編程，因此可以滿足多種應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)要求。與其它二種技術(shù)不同，F(xiàn)PGA的靈活性和性能可以滿足所有潛在算法的要求。
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圖一 |
上文提到的信息通訊基本架構(gòu)需要額外的處理芯片來處理高端應(yīng)用，這些芯片一般是ASIC和ASSP，它們通過存儲器或視頻處理總線與處理器集成，從而成為特定應(yīng)用協(xié)處理器。用FPGA替換這種特定應(yīng)用硬件是一種非常好的方法，將FPGA和處理器集成在一起的應(yīng)用稱為FPGA協(xié)處理。FPGA的這種使用方式能夠根據(jù)要求將新的特定應(yīng)用加速器下載到FPGA中，從而協(xié)助完成任何高性能應(yīng)用。這一概念被廣泛應(yīng)用于高級軍事多標(biāo)準(zhǔn)無線電設(shè)備，通常稱為軟件無線電(SDR)技術(shù)。采用SDR技術(shù)，通過簡單的按鍵就可以使一個(gè)無線電設(shè)備自動適應(yīng)不同的無線電標(biāo)準(zhǔn)，這不僅有助于設(shè)備適應(yīng)于未來的應(yīng)用，也能減少執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)空閑的定制處理器的數(shù)量。這種軟件無線電技術(shù)也可以用于車載通信和視頻應(yīng)用。
FPGA在視頻處理和無線連接方面的靈活性還能節(jié)約設(shè)備成本，增加系統(tǒng)的價(jià)值。目前的基本架構(gòu)需要ASSP才能支持每個(gè)新的視頻編解碼或無線標(biāo)準(zhǔn)。用一個(gè)FPGA替代多個(gè)ASSP可以減少汽車使用壽命期間必須配置和維護(hù)的次數(shù)。擴(kuò)展車載娛樂系統(tǒng)的基本架構(gòu)，使其包含F(xiàn)PGA就可以提供可編程的單一高端平臺，從而涵蓋更寬范圍的視頻和無線標(biāo)準(zhǔn)和性能。這種方法同樣適合高級汽車娛樂系統(tǒng)架構(gòu)使用。
Delphi Delco電子系統(tǒng)公司發(fā)布了先進(jìn)的汽車娛樂系統(tǒng)架構(gòu)范例。該平臺采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SH-4微處理器和一個(gè)日立的HD64404“Amanda”ASIC器件，提供了80%中級汽車市場所需的基本功能。該系統(tǒng)提供了一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)API層的通用控制處理器，可以對硬件外設(shè)和協(xié)處理器進(jìn)行抽象。ASIC提供基本的外圍器件功能和一體化的圖形處理器，這種圖形處理器可以支持交互圖形和擴(kuò)展功能，但不能提供視頻編解碼或其它DSP功能。該系統(tǒng)提供了所有娛樂設(shè)備所需的基本功能，但仍需要額外的ASIC或ASSP才能完成視頻編解碼和無線通信。
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圖二 |
FPGA協(xié)處理可使FPGA與控制或DSP處理器緊密整合在一起，因此可以分擔(dān)大部分算法處理任務(wù)，同時(shí)保留標(biāo)準(zhǔn)編程接口于控制處理器上。當(dāng)算法的主要數(shù)據(jù)流駐留于FPGA或相關(guān)存儲器上時(shí)，這種整合的運(yùn)行效果最佳。算法是由來自于控制處理器的緩慢控制信號控制。
該類型架構(gòu)可以應(yīng)用于無線通信，它能通過單個(gè)FPGA支持GSM/EDGE、WCDMA、1xEVD0中的數(shù)字處理以及各種802.11標(biāo)準(zhǔn)。其它方案只能是針對每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做專門的硬件設(shè)計(jì)，但這樣做會成倍增加成本和電路板面積。
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