原创 嵌入式软内核微处理器在汽车电子领域的应用

Xilinx公司全球汽车产品经理 Karen Parnell

引言
---今天,汽车设计人员所面临的挑战与消费类电子设计人员所面临的挑战越来越类似。他们不仅需要考虑安全性、空间限制以及严格的温度差距范围，还需要面对不断变化的标准和协议以及上市时间方面的压力。
---利用最新的现场可编程门阵列（FPGA）硬件以及嵌入式软内核微处理器所提供的可重配置逻辑设计技术，设计人员可以创建一个适用于多种应用/产品的多媒体平台，从而可降低库存和总体成本。
---多 媒体平台的概念意味着可以设计用于多种应用的一块印刷电路板（PCB），然后在生产流程的后期再根据具体应用进行配置，或者，甚至还可以在产品现场安装后 进行配置、修改或升级，从而延长设计和产品的市场寿命。这种平台可以通过不断改变或演化来适应目前和/或未来的有线或无线网络中所使用的任何标准或协议。
---过时（obsolescence）是大多数设计工程师都非常关心的问题，但对于汽车信息设备设计人员尤为突出。尽管汽车电子设备的设计和开发时间最近已经从5年缩短到了2年，但汽车电子设备产品本身却仍然需要维持生产许多年，而在汽车中实际使用的时间会更长。
---最 大的过时问题是微处理器和微控制器过时。本文将探讨结合FPGA硬件和嵌入式处理器来根除过时问题（同时还带来现场升级方面的好处）的可能性。本文将详细 介绍FPGA和软内核微处理器结构的使用以及开发工具流程。通过讨论可以得出结论，FPGA为设计和产品快速推向市场提供了灵活性，并且还可延长产品市场 寿命。
---本文主要从以下几个方面展开介绍：
---● 可重配置逻辑使汽车信息系统设计可更快地推向市场并且没有风险。
---● 多媒体平台概念可利用一个平台来实现多种汽车信息系统设计和满足多种最终客户的需要，同时还带来额外的好处，如可通过现场重配置来适应新兴标准和协议。
---● 结合基于FPGA的硬件和嵌入式软内核处理器可以消除处理器过时问题。
---● FPGA供应商在电信和消费应用领域所积累的设计经验和专业设计服务团队可以弥补目前汽车信息系统设计人员群体中存在的技术和知识差距。
---● 研究多媒体平台设计概念和应用实例。

车辆与汽车信息系统的市场寿命不匹配
---汽 车行业中，汽车信息系统面临的主要问题之一,是所采用的器件可能很快会过时。汽车信息系统采用的器件与消费类产品的特点类似，即标准和协议变化迅速。在消 费者市场，产品每18个月至两年时间就会变得过时，迅速被具有更多特点、更多功能和更大带宽的最新型号产品所代替。例如，手机从仅支持简单语音通信的 GSM手机升级到支持数据通信的GPRS手机，为用户提供了更大带宽和新服务，如移动因特网和视频语音功能。如果汽车中的信息系统设备就象消费类产品一 样，功能的更新升级如此快速，那么器件和功能过时就会带来很大的麻烦。现在的趋势是汽车信息系统设备并没有统一的标准，因此并不能简单地利用替换设备来代 替过时的系统。一辆车的标准寿命为10年，因此面临的一个重大挑战就是使汽车信息系统设备的供应时间与汽车的寿命相匹配。

可扩展可重配置的汽车信息系统平台
--- 一种解决方案就是设计可扩展和可现场升级的系统，从而在未来可通过升级来适应标准和协议的变化，或者在汽车售出很长时间后仍可增加更多功能。
---通 过由经销商根据客户的要求对多媒体平台进行配置可以实现最终客户个性化。因此，客户不仅可以选择车的颜色、发动机动力以及装饰类型，还可以选择需要什么类 型的信息和娱乐系统。例如，可选择GPRS来代替GSM、全程GPS来代替辅助GPS、数字视频广播（DAB）来代替标准FM收音，等等。如果客户未来希 望增加额外功能，也可以对这一可配置解决方案进行重新配置。
---FPGA 器件是在通电时通过标准存储器器件（如PROM、闪存甚至Compact Flash器件）完成配置过程的。这样就可以将多种不同功能存储在低成本存储器中，并有选择地加载到FPGA中。由于FPGA配置过程仅需要数毫秒的时 间，因此不同的功能可以通过轻触按钮，然后在用户无法觉察的时间内加载完毕。至少在理论上，这意味着可通过简单地为系统选用更大的存储器器件来为未来的功 能留下足够的空间。
---FPGA的一个重要特点,是可以 在设计的其他部分仍在运行的过程中,对器件的某个部分进行重新配置。部分重配置非常有用，例如可在器件的同一部分加载不同的设计，或者为应用设计提供更大 的灵活性，允许在不进行复位或不对整个器件进行全面重新配置的情况下修改设计的某些部分。利用这一能力，可以实现全新的应用领域：
---● 现场硬件升级以及远程站点升级
---● 运行过程中的重新配置
---● 适应性硬件算法
---● 连续服务应用
---其他优点还包括：
---● 减少器件数量
---● 降低功耗
---● 更有效地使用可用的电路板空间

处理器过时问题
---过时（obsolescence）是大多数设计工程师都非常关心的问题，但对于汽车信息设备设计人员尤为突出。尽管汽车电子设备的设计和开发时间最近已经从5年缩短到2年，但汽车电子设备产品本身却仍然需要维持生产许多年，而在汽车中实际使用的时间会更长。
---最 大的过时问题是微处理器和微控制器过时。在消费类市场趋势以及不断加强的提高处理器速度等需求的推动下，处理器的生命周期变得前所未有地短，而且经常是在 简短的停产通告之后,甚至在没有通知的情况下就中断了生产和供应。游戏机和手机等消费类产品在设计时就特意考虑到通过过时和淘汰的因素来刺激最新产品的销 售。这种故意使产品过时的趋势使微处理器制造商忙于追赶计划推出的新平台，同时由于新平台的大批量销售几乎是有保证的，从而使产品/器件过时现象产生连锁 效应。
---即使设计是采用公认的“代码可移植 ”的'C'来编写的，但总会有与结构相关的指令和特性，从而会妨碍从已过时或被淘汰的处理器向下一代器件的转变。制造工艺的改变使这一过程更 为困难，因为新工艺制造的器件往往会采用不同的封装形式和I/O布局，从而可能需要对电路板进行重新设计。只要想到汽车中的每个电子控制单元（ECU）都 包括至少一个处理器，而一辆汽车可能包含多达60个ECU，我们就可以想象,每次有某种处理器在时间相对很短的停产通告后就很快停止供应这种情况会带来多 大的麻烦了。
---解决处理器过时问题有几种解决方案。任何特 定解决方案的适用性都依赖于几个因素，包括应用软件的价值、系统的预计寿命,以及解决问题可以使用的时间和资金。最激进也最昂贵的解决方案是围绕新的处理 器对系统进行重新设计。根据代码的规模，重新设计可能需要耗费数百人年的时间，其中相当大部分都会花在验证和测试阶段。这种典型的把孩子与洗澡水一起倒掉 的做法,不仅损失了调试和优化现有软件时所做的大量投资，而且这样获得的解决方案本身也只能是暂时较好地满足了要求,如果系统有较长的预期寿命，同样的问 题可能每几年就会重新出现。因为每个新设计都逐渐变得过时。另一种解决方案是最后一次购买（LTB），表面看起来，这好象是最经济的选择。但问题是汽车设 计人员必须估计在整个项目的生命期中需要购买多少产品。如果估计错误，可能会面临更困难的问题，可能会损失更大的投资，即不得不为估计错误付出巨大的代 价。
---利用软件在新的处理器上模拟已过时的处理器也是一种 方法，但在目前实际应用时并没有理论上看起来那么好。这一概念很有吸引力，事实上已经有这样的应用。过去编写的软件被保留下来，因此转变过程成本相对便 宜，速度相对也更快。然而，如果系统预期寿命长的话，还会出现与前面同样的问题，解决方案不是永久性的，可能不得不每几年重复一次。更为重要的是，软件仿 真本质上是一种串行过程，因此相对慢。这意味着新的处理器必须将相当大部分性能耗费在运行仿真过程上，而不是用于应用本身。经验表明，平均来说仿真过程执 行每条所仿真的过时处理器指令需要大约20个新处理器时钟周期。此外，仿真还带来进一步的过时问题，因此可能需要完全重新编写仿真器。

软处理器解决方案
---一 种更为彻底和强大的新解决方案可以根除处理器过时问题，同时还可保护多年的代码和开发投资。这种新方法就是采用软处理器内核并将其嵌入在FPGA构造中。 这样不仅可以将软处理器内核移植到多种FPGA平台，而且还可‘设计’所需要的外设集合来准确满足设计要求，从而避免结构折衷和 浪费外设资源。
---例如，设计人员可能需要一个带有10 个UART和一个中断控制器的处理器，同时要能够访问外部闪存模块。尽管有许多成品处理器都可提供多个UART和其他所需要的外设，但通常这些处理器都还 会有大量其他在本系统设计中用不到的外设。设计人员不仅要为这些额外的外设支付更多的成本，通常还需要小心地将此类处理器中未使用的外设置于安全模式，或 者通过软件禁止掉。这为软件设计小组带来额外的负担，他们不仅要保证设计中用到的处理器外设正常工作，现在还必须为未用到的处理器外设编写代码。很明显， 在这种情况下购买成品解决方案不仅浪费初始成本，还会在设计阶段浪费工程人员的时间。
---采 用嵌入式软内核处理器，设计人员可以采用不同的方法。他们可以从处理器内核开始，构建准确满足设计需要的外设集合。芯片面积浪费被降到零，因为设计人员仅 在硬件中实现所需要的外设。软件设计复杂性也降低了，因为不需要编写代码来关闭/禁止不需要的处理器功能。同时，创建专用处理器配置的工作也成为一项简单 的任务，而为了满足技术规格的变化专用处理器配置随时可能需要改变。
---即使在实际应用5到6年后，连FPGA硬件本身可能也已经接近其生命期的终点时，只需要简单的利用同样的C代码将软处理器内核移植到新的FPGA硬件中就可以了。硬件平台可能需要一定的PCB修改，但遗留下的代码仍然是可用的，不需要修改。

软内核处理器的典型特性
---软内核处理器有32位、16位和8位的。8位器件运行速度高达116MHz，通常仅需要占用约35个可配置逻辑模块（CLB）的较小芯片面积，这仅占一块低成本FPGA器件的一小部分。例如，在最新的低成本5万门FPGA器件中可以容纳10个8位处理器。
---32 位软处理器内核运行速度高达150MHz，性能高达100-D-MIPS。32位处理器通常采用RISC架构和哈佛结构的独立32位指令和数据总线，可以 全速度执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序并访问其中的数据。标准外设组以及外设总线（如IBM CoreConnect总线）为设计人员提供了兼容性和设计重利用的灵活性。coreConnect是IBM开发的一种片上总线通信链路，可将不同来源的 芯片内核互连起来创建出全新的芯片。CoreConnect技术方便了标准产品平台设计中的处理器、系统和外设内核集成和重利用，从而可获得更大的总体系 统性能。CoreConnect总线结构包括处理器局部总线（PLB）、片上外设总线（OPB）、总线桥、两个仲裁器和一个器件控制寄存器（DCR）总 线。
---软内核处理器设计套件通常包括编译器、汇编器、调试器和链接器。例如，流行的基于GNU的软件工具，甚至还可能会包括一个带有FPGA器件的开发板，从而可更快速地进行设计运行调试。
---有些FPGA供应商甚至还可以提供源代码，以便在经济上可行时移植到ASIC。这样就为从小批量到中批量生产，直到设计固定并且不再改变时的大批量生产提供了一个方便的设计和集成流程。

硬件实现DSP功能
---安 全性是汽车消费者最关心的问题。图1给出了Visteon进行的一项研究的结果，图中显示出客户对汽车的要求，而车辆安全性位于核心。对于汽车安全性的关 注不仅仅是为了司机和乘客，还有道路上的其他人。安全设备已经从物理领域转向电子领域，从轮胎和刹车技术的进步，到侧撞保护和安全气囊，直到今天的辅助驾 驶系统。最新的汽车采用了大量的电子技术和传感器，不断监测和评估周围的环境、为司机显示相关信息，并且在某些情况下，甚至接管车辆的控制。在提高汽车安 全性、舒适性和驾驶效率方面，这些电子系统起着重要的作用。
---辅 助驾驶系统可提供基本的安全功能，如增加红外（IR）相机来增高观察能力。更为先进的设计还可利用范围广泛的传感器来提醒潜在的危险情况，从而使车辆可意 识到周围的交通情况、车道和行驶方向以及可能的碰撞目标。最终的目标是车辆能够自动对这种信息做出反应，为司机提供信息以及特殊情况下的车辆控制能力，从 而可保证乘客的安全。例如，有些最新的卡车中安装了视频摄像机来监视前面的道路情况。如果车辆在没有使用指示灯的情况下改变行驶路径，比如可能是由于司机 太疲劳了，那么系统就会通过车内的扬声器给出声音报警。
---通 过消除繁琐的驾驶动作，辅助驾驶还可提供更高的舒适水平。例如，传统的巡航控制允许司机设定一个固定的行驶速度，同时在需要时可手动控制。而现在的汽车则 提供自动巡航控制（ACC）功能，可以自动控制油门和刹车来适应前面车辆的速度，从而与其保持安全距离。如果前面的车辆加速开走或改变行驶路径，ACC会 自动返回传统巡航控制的预设速度。
---辅助驾驶系统还有 希望利用所谓的“电子牵引装置”来提高交通效率。例如，车队的领头卡车由司机手动驾驶，但后随的卡车则自动驾驶。除了减轻司机的 许多负担以外，卡车间的距离也可大大缩短，因为电子响应速度更为迅速。这样不仅可节约完整的道路面积空间，而且由于前面车辆的后向气流的影响，还要节约燃 料。

FPGA在辅助驾驶系统中的应用
---图2 给出了Xilinx现场可编程门阵列（FPGA）应用于ACC辅助驾驶系统的一个概念性框图。系统划分为超高速输入处理和相对低速的传感器输入和输出信息 控制两个部分，每个部分都在相应处理器（例如，一个32位嵌入式软内核处理器或者一个嵌入式硬内核处理器，如Virtex-II Pro FPGA中的IBM PowerPC）的控制之下。高速部分专用于对安装在车辆前面的视频摄像信息进行实时处理。由于应用（防碰撞、紧急处理和报警）本身的特点，实时处理绝对 是非常关键的。通常需要两个或更多相机来获得立体图像，这样就可以在FPGA中计算出图像的深度（直接与前面物体的实际距离相关）。结合雷达和激光测量， 以及来自陀螺仪和车轮传感器的运动检测信息，可以相当准确地计算出车辆周围的情况和行驶路线。利用完全灵活的FPGA来代替成品视频组件，设备制造商可容 易地开发出区别于竞争厂商系统性能的独特的优化的边缘检测、图像深度和增强算法。实时捕捉并处理这些信息需要使用计算密集的数字信号处理（DSP）算法。 然而，软件处理无法满足性能要求；尽管传统DSP处理器也是一种选择，但通常需要多片器件才能完成如此高速的任务。甚至ASSP视频处理器也无法与 FPGA的极高速DSP性能相比。在视频处理完以后，决策树机制可以划分为针对紧急算法（如紧急的防碰撞过程）的硬件部分，以及用于行驶路径偏差等的声音 告警的处理器软件部分。将速度关键的处理过程划分到FPGA硬件中还可以对实时速度进行测试，而这对于软件是不可能的。
---XtremeDSP实时图像处理
---那 么为什么FPGA能够提供比传统DSP更快的视频处理性能？最根本的原因是由于FPGA结构能够实现数据的并行处理。来自Xilinx的最新系列器件还集 成有嵌入式高性能乘法器模块阵列，可以进一步提高图像处理的能力。与此相对比，DSP处理器顺序执行指令和数据，并且以串行方式处理他们。因此FPGA可 配置为能够并行执行多个操作（在单个时钟周期内）的乘法累加（MAC）单元阵列，而不是象传统的DSP中那样需要多个时钟周期才能在一个或少量MAC单元 中执行完毕。
---FPGA还具有可利用准确的MAC阵列来满 足计算要求的额外优点。这些特性对于完成图像计算非常理想。这样就可对图像中的多个像素簇（如离散余弦变换（DCT）的宏块）进行并行计算，而不必顺序扫 描整个图像。FPGA性能的提高还带来更多额外好处，例如，缓冲像素值所需要的存储器数量可更小，因为现在可实时处理。
---除了实时性能以外，FPGA的可重编程能力还提供了优异的系统灵活性，支持算法升级（即使在部署以后）。这一点非常重要，因为目前的辅助驾驶系统仍然处于早期研发阶段。随着边沿和目标检测算法的不断改进，可在数分钟中内完成硬件升级，而且不需要重新设计电路板。

针对汽车应用的IQ解决方案
---为满足汽车电子设备设计人员的需要，赛灵思（Xilinx）公司推出了一系列支持扩展工业温度范围的新器件。称为“IQ”范围的这些新器件包括符合扩展温度级（Q）要求的现有工业级（I）FPGA和CPLD。

利用可编程外设桥接汽车网络
---随 着汽车中演化出真正小型网络，设备制造商必须确定在众多的网络协议中哪种标准将是最成功的，或者哪些标准能够为自己带来最大的好处。不同的网络技术被用来 满足汽车中的不同需要，从驾驶舱内的多媒体范围（面向多媒体的系统传输，MOST）直到汽车控制网络（如FlexRay）。图2中选择了一种经过验证的控 制器局域网络（CAN）接口内核做为例子。
---与采用 ASSP相比，采用FPGA的最大好处之一是允许工程师设计出精确匹配系统要求的接口和外设。在开发的早期阶段试图连接到不同的汽车网络时，这一点特别有 用。当试图快速将产品推向市场时，芯片组或ASIC重新设计成本昂贵且耗费时间。在标准实现的早期，如果网络协议规格有所变化，为了支持最新的版本，在使 用FPGA的设计时只需要简单地修改软件，然后再重新下载FPGA硬件配置就可以了。甚至还要以利用Xilinx IRL（因特网可重配置逻辑）通过广域网来完成这一点，因此不需要成本高昂的运送费用或额外的人力就可以通过远程维护完成硬件修改。

结论
---嵌 入在FPGA构造中的软处理器内核可以提供一个汽车设计人员自己可以控制和配置的稳定平台，从而可消除处理器过时问题。与符合扩展温度要求的FPGA硬件 相结合，这一解决方案对于汽车应用非常理想。汽车设计人员不仅可受益于可编程逻辑所提供的灵活性、高集成度和可升级能力，而且还可拥有一个永不过时的针对 设计需求而优化的处理器。
---辅助驾驶系统的开发和应用需要高性 能图像处理，同时又希望不牺牲在目标检测和汽车网络技术研发的早期阶段所需要的灵活性。采用FPGA做为此类系统的核心为业界提供了最佳的DSP性能和无 与伦比的网络连接标准支持能力，同时为系统设计师提供了一个完全灵活的设计平台。通过可实时工作的此类系统，为驾驶人员提供紧急驾驶报警或辅助车辆控制功 能就成为可能，从而可大大提高车辆驾驶和乘座的安全性。