FPGA在汽車娛樂電子應(yīng)用中的參考設(shè)計(jì)

汽車娛樂電子推動(dòng)了功能和容量的快速發(fā)展，促使設(shè)計(jì)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(lǐng)域不同，多媒體圖形應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。汽車設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？删幊踢壿嫞貏e是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）便是這樣的解決方案。

以前，專用集成電路（ASIC）能夠?yàn)橹圃焐烫峁┏杀拘б孑^好的芯片方案，因此，汽車圖形應(yīng)用在半導(dǎo)體方面一般選用ASIC。但是，ASIC開發(fā)成本不斷攀升，降低批量價(jià)格、快速面市的要求以及功能復(fù)雜性的提高可能會(huì)預(yù)示著汽車市場中ASIC統(tǒng)治時(shí)代的結(jié)束。頂級(jí)汽車供應(yīng)商正在尋找一種最具成本效益的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其強(qiáng)大的功能和靈活性能夠滿足越來越復(fù)雜的汽車數(shù)字系統(tǒng)的需求。

專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）在汽車和消費(fèi)類市場上是ASIC的一種替代方案。這類產(chǎn)品的主要優(yōu)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(shè)計(jì)早期可能需要ASSP，設(shè)計(jì)一旦投產(chǎn)之后，便不再采用ASSP。

FPGA能夠顯著縮短工程開發(fā)時(shí)間，降低多芯片重復(fù)使用成本，成為汽車圖形應(yīng)用中替代ASIC和ASSP的功能強(qiáng)大而又靈活的解決方案。ASSP可能會(huì)丟失所需功能，ASIC則有隨著設(shè)計(jì)修改而必須重制的風(fēng)險(xiǎn)，而FPGA在設(shè)計(jì)過程中，可以進(jìn)行編程，并根據(jù)需要重新編程，實(shí)現(xiàn)更快速的原型設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品面市。如果需求變化，即使是器件已經(jīng)在車輛中投入使用了，F(xiàn)PGA也可以現(xiàn)場進(jìn)行更新。FPGA不存在預(yù)先的ASIC流片(NRE)成本以及最小訂購量問題，也不存在ASSP相關(guān)的潛在成本問題，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最具成本效益的選擇。而且，F(xiàn)PGA在通用硬件平臺(tái)上能夠重復(fù)使用的能力非常重要，使設(shè)計(jì)人員能夠生成不同的系統(tǒng)，憑借一個(gè)基本設(shè)計(jì)便可以支持多種功能，從而降低制造成本。

FPGA參考設(shè)計(jì)推動(dòng)汽車圖形技術(shù)信息娛樂應(yīng)用要求越來越復(fù)雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和DSP中實(shí)現(xiàn)，但代價(jià)是極高的成本、復(fù)雜度和功耗?？梢栽谙到y(tǒng)中加入FPGA來降低圖形系統(tǒng)的總成本、復(fù)雜度，以及性能需求。圖1所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)承載視頻輸入，覆蓋LCD屏幕上顯示的其他圖像。

該參考設(shè)計(jì)在Altera Cyclone FPGA中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻輸入模塊和LCD圖形控制器，展示了在汽車市場需要的低成本應(yīng)用中，F(xiàn)PGA所具有的強(qiáng)大功能和靈活性。參考設(shè)計(jì)運(yùn)行在 Altera Nios II嵌入式處理器開發(fā)板上，并加入了用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)/視頻輸入、輸出顯示驅(qū)動(dòng)電路的模塊。

視頻輸入模塊包括一個(gè)前端相機(jī)接口和用于色彩空間轉(zhuǎn)換、調(diào)整和縮放的IP，以及視頻存儲(chǔ)器接口。LCD顯示接口包括控制不同層之間以及圖像之間半透明效果的IP功能。這些輸入輸出控制模塊是Altera SOPC Builder系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)用于將所有IP模塊進(jìn)行無縫連接。OpenGL-E圖形庫子集運(yùn)行在主機(jī)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(jìn)行透視操作、旋轉(zhuǎn)、繪制直線和多邊形、紋理操作以及相似的任務(wù)時(shí)，這些擴(kuò)展圖形應(yīng)用會(huì)占用大量的計(jì)算，因此，可能會(huì)需要一個(gè)功能非常強(qiáng)大的主機(jī) CPU來實(shí)現(xiàn)OpenGL圖形庫。FPGA可做為一個(gè)協(xié)處理器架構(gòu)，卸載主機(jī)CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

圖2顯示了在參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實(shí)例。該協(xié)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B zier曲線

加入?yún)f(xié)處理器后，對(duì)主機(jī)CPU的要求會(huì)顯著降低。當(dāng)然會(huì)使用更多的FPGA資源，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yōu)化大部分關(guān)鍵系統(tǒng)要求（速度、功耗、成本等）。

可以進(jìn)一步延伸該卸載范例，采用FPGA中實(shí)現(xiàn)的處理器將其他處理任務(wù)放在FPGA中。這樣還具有減少系統(tǒng)元件和外部主機(jī)CPU的優(yōu)點(diǎn)。圖3顯示了如何在 FPGA中采用Nios II處理器實(shí)現(xiàn)其余軟件控制任務(wù)（如抗鋸齒處理和OpenGL兼容等）的圖形參考設(shè)計(jì)。

平臺(tái)概念：多種小變化

通過在汽車圖形系統(tǒng)中采用FPGA，相同的平臺(tái)可用于解決不同的市場需求。圖4顯示了怎樣以單個(gè)通用平臺(tái)開始，進(jìn)行多種變化來滿足不同的市場需求，而不必重制AS IC或者建立并調(diào)試新的電路板。

本文闡述的多種汽車參考設(shè)計(jì)說明了這種概念是如何工作的。根據(jù)市場需求，采用單個(gè)工作參考平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)多種圖形控制器模塊衍生。通過使用標(biāo)準(zhǔn)IP和參考設(shè)計(jì)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒕Γê突ㄙM(fèi)）集中在如何使產(chǎn)品領(lǐng)先于競爭對(duì)手，滿足客戶的要求，而不必耗費(fèi)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(fù)使用，因此FPGA中實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)可以移植到Altera HardCopy器件等結(jié)構(gòu)化ASIC或者完全定制的ASIC中。

結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)倉、乘客車廂內(nèi)以及外部診斷系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA為成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活的低風(fēng)險(xiǎn)途徑降低了制造的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)組件、微處理器和系統(tǒng)總線間的通信。 FPGA還可以擴(kuò)展特性，集成內(nèi)核系統(tǒng)功能以替代ASSP和ASIC。

當(dāng)考慮到不斷增加的復(fù)雜度和及時(shí)面市的壓力時(shí)，盡管汽車應(yīng)用需要合適的ASIC以實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)品，但是FPGA仍舊能夠滿足甚至超越總工程成本目標(biāo)。 FPGA中實(shí)現(xiàn)的低成本結(jié)構(gòu)和豐富的器件資源組合使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)檫@種批量產(chǎn)品應(yīng)用提供全面而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。而且，由于FPGA所具有的靈活性，不必對(duì)整體平臺(tái)進(jìn)行昂貴的重新設(shè)計(jì)，便可以迅速改進(jìn)這些設(shè)計(jì)以滿足多變的市場需求并細(xì)化產(chǎn)品。(end)