剖析FPGA在汽车系统设计中的关键作用.doc

剖析FPGA在汽车系统设计中的关键作用汽车制造商收到了这样的一张通知：投资多年所开发且原订还将生产10年的微控制器产品即将停产（EOL），而自己正使用着这款组件没有什么比这更糟糕的事了。然而，过去几年来，由于半导体供货商进行产品整合与削减产品线，使得曾经相当普遍用于汽车系统中的好几款微控制器和微处理器已经停产。在过去，受到这一冲击的制造商们一般有两种选择：在停产前一次全部购齐，不然就重新设计产品。一次购足的作法可能造成资金冻结的问题。至于重新设计，如果只是单纯的调整线路板布局即可支持不同的组件还算简单，但要选择一款新的微控制器系列则需要花费大量的软件编写与测试时间。选择不同的微控制器系列时，软件的兼容性是主要的障碍。大多数公司在软件的开发、测试和验证方面已经进行了大量的投入。因此，将设计转换到一个新的架构时，通常需要复杂且代价高昂的软件移植。如果这种转换发生在产品生命周期的中期，那么为了确保硬件平台之间不至于出现兼容性方面的问题，制造商们就必须格外小 心。寻求第三种选择方案举例而言，一家引擎控制系统制造商最近发 现自己面临着组件停产窘况。该制造商发现，如果将沿用了15年的原程序代码移植到全新的结构，并进行全面的功能测试的话，那可能必须耗费多位人力投入多年的时间。而且，由于先前的软件团队已经进行了其他的计划，因而也不得不聘用额外的人员来进行这项工作。在针对这种架构变化进行时间与经费方面的评估之后，这 家制造商开始寻找能与其现有系统兼容的程序代码解决方案。第三种选择的解决方案是采用一种以非挥发性为主的FPGA ，例如LatTIceXP2 ，再加上与现有微控制器兼容的第三方知识财产权（IP）核心。莱迪思（LatTIce）的合作伙伴Digital Core Design（DCD）拥有一款与该制造商要求非常相近的微控制器核心。因此，DCD提议修改现有的核心，使其与停产组件的外围设置可相互搭配（图1 ） 。该制造商坚持要求新的解决方案必须与原系统的作业情况完全一致。包括外部与内部的时序、处理器的功能，甚至相同的二进制程序代码都无需修改即可执行；这种兼容性的要求甚至还包括内建于原处理器程序代码中的所有软件时序循环。而在硬件方面，这个解决方案必须与原微控制器具备相同的电路板面积与接脚，并能连接到相同 的接口。此外，还必须具有防止未经授权修改配置的高安全性要求。系统解决方案非挥发性的LatTIceXP2 FPGA结合了SRAM和闪存技术，并使其整合在同一颗芯片上。上电时， FPGA的配置以平行的方式从Flash复制到SRAM，因而初始化该组件，并可在不到2毫秒的时间内进入正常运作状态（图2 ） 。快速启动的功能使非挥发FPGA轻而易举地取代了ASSP微控制器，因为应用程序不必等待从外部内存加载FPGA配置的过程。基于闪存的FPGA逻 辑内部还具备一些安全特性，以防止未经授权的读取或修改内部存储器配置。这也确保不至于发生任何未经授权的复制或篡改内部闪存配置的情况。等到确定可替代的硬件后，最后一步就是让软件功能与原有的微控制器相匹配。DCD从该公司大量的数据库中选择现有且经测试与验证过的外围设备核心，从而实现大部份的需求。然而，由于也用了一些少数的新外围设备，因而必须特别小心处理，才能符合原有微控制器的要求。由于数字FPGA不具有模拟转换器，因此设计者所面临的最大挑战就在于原有的微控制器拥有着8个模拟数字转换器信道。为了因应这一挑战，DCD编写了一款 IP，采用相同的软件接口（控制与数据缓存器）连接至内部总线，而且可与各种外部序列和平行的ADC相连接。然后，只须再选择一款与原微控制器具有相同转换时序与精密度的ADC即可。该制造商最后使用的解决方案是一个新的控制器单元 ，其中搭载了LatTIceXP2 FPGA、ADC组件和频率产生器。PLCC可与制造商的PCD直接连接，并以接脚对接脚的方式直接取代了原有的微控制器。由于该芯片内含开机内存，因而减少了电路板上的组件数，以实现一款较小型的最终解决方案。结论产品汰旧换新的情况在汽车制造领域还将持续发生，但是目前已经有了使用FPGA加上微控制器IP的替代方案。具有快速启动特性的LatticeXP2 FPGA为汽车制造业提供了一种安全、小尺寸，并且满足更长生命周期需求的解决方案。这种微控制器IP架构是一种快速且具有成本效益的方法，不但可取代现有的微控制器，同时也能又保持与原系统设计完全相同的软件兼容性。一款接脚兼容的解决方案使制造商能够更专注于验证FPGA内部的IP核心，而不必再对硬件和软件进行全面的重新设计与验证。