利用FPGA平台架构提升信息娱乐系统设计灵活性

开发车载信息娱乐系统面临着前所未有的挑战。事实上，支持众多不一致甚至矛盾的要求需要采用全新的思路。设计基于FPGA的平台就是一种可行的解决方案，可通过设计灵活性来满足多样化的汽车要求。

消费者开始希望能像在家中或使用移动设备一样使用汽车中的多媒体信息——包括个性化他们体验的能力。因此最近几代汽车中的信息娱乐系统得到了快速发展，并以10年前无法想像的方式改变着汽车市场。 汽车制造商非常欢迎这种变化，因为它提供了产品差异化的途径，但这也给他们带来更大挑战：必须紧跟快速变化的消费产品周期。那些一级制造商正在逐渐采用灵活、可配置的FPGA器件来应对挑战，满足不同设计要求。 对于那些想要达到新的期望值的OEM来说，问题在于改变整个供应链的基本行为，包括从如何建立信息娱乐系统架构到为这些系统提供的产品和服务。 这种压力又传递给了一级发动机控制单元(ECU)供应商，因为他们所服务的OEM坚持要迎合来自消费市场的产品要求，诸如要能够灵活地适应市场变化、降低成本以及不断缩短设计周期。在汽车市场中，这种变化的幅度是空前的，并且正在形成猛烈的风暴袭击一级供应商。一级供应商如果想在这一领域取得成功，就必须适应这种变化。 解决这个问题的一个途径是开发一种强大的、关注灵活性、可扩展性和可适应性的平台方案，这说起来容易做起来难。我们需要考虑这种灵活平台的两个方面：其一，最终产品本身的灵活性，以适应OEM用户对现场可升级的要求；其二，基础平台的可适应性，以便服务于大范围的、需求各异的OEM客户。 例如，OEM 1也许不关心所使用的底层硬件，只要硬件能够满足一系列功能要求即可；而OEM 2可能强制要求或至少强烈建议使用特定的芯片组。第2种情况是平台方案最难对付的，因为它有可能完全否定硬件，而且一级制造商的平台所选择的软件也可能不同。 问题是：我们需要全盘否定硬件平台吗？抑或能复用硬件平台元件？构建平台架构 建立硬件平台架构一般有三个基本步骤。首先是选择最关键的组件，然后是围绕内部核心元件搭建外部“层“。一般来说，形成最终配置是一个反复实践的过程。 第一步是选择核心芯片组，主要考虑因素是成本、特性和性能，虽然设计人员在这个阶段也需要考虑其它重要因素，如硬件/软件复用以及公司战略或OEM要求。 在没有建立起所有层的架构以反映系统真实成本之前，通常不可能最终确定芯片组的选型。而外层所涉及的成本很多时候相当于甚至超过核心芯片组的成本。 第二步是解决所有遗漏的特性和功能。对硬件设计人员来说，一个理想的情况是，有现成的系统级芯片或芯片组包含了需要的所有特性和功能，并且价格合理，能够满足不同客户的需求。 不过，即使上述情形是可能的，但公司将如何实现有别于其它一级电子产品制造商的功能呢？也许更重要的是，公司将如何规划未知/潜在的特性？ 这就引发了一个看似矛盾的问题——外围电路是可以提供产品差异化的最好机会，并能满足可扩展性和可复用性；但人们又在尽量避免它，因为外围电路的设计和选择是一个反复的过程，类似于一个非常复杂的拼图过程。 围绕核心芯片组的外围器件所执行的功能非常广泛，包括连接性(补充主芯片组遗漏的接口)、协处理/加速(从主芯片组卸载处理任务)和接口转换(弥补主芯片组上不合适的接口)。 设计人员试图寻找能够满足特定功能并且价格可接受的合适器件，但他们经常到处碰壁，因为解决架构中某个部分的问题会导致另一个部分出现问题。即使确定了可接受的器件，也还会遇到汽车认证或长期可用性方面的问题。 尤其是对于信息娱乐系统架构，设计人员必须综合考虑到很多方面，比如音视频的源端和接收端、有线和无线、显示器、消费者端口连接和存储，以及后端汽车网络等。 上述内容涉及到汽车头部单元中的各种子系统，而这些头部单元正是信息娱乐系统的中心硬件组件。 今天，实现系统设计所要求的全部接口数量——尚不包括服务于每个接口所需的性能——正在呈爆炸式增长，因此对核心芯片组的特性和性能也提出更高要求。FPGA解决方案 目前已经有数代信息娱乐系统架构平台使用了FPGA器件，这些FPGA担负着主处理器或芯片组的支撑(或补充)作用。在这种角色中，FPGA一般被称为配套芯片。有经验的用户已经认识到，FPGA不仅可以用来弥补架构中的漏洞，而且还能更多地被用作核心元件，为基础架构增加更多的灵活性和可扩展性。 这样做通常要求在架构定义的早期阶段就要引入FPGA，并将FPGA归类为核心芯片组中的一个元件。这样，设计人员就能在内存子系统、系统启动时序、通用系统性能和平台总体成本等方面获得各种系统级的益处。 一些芯片组具有内置扩展能力，例如带有PCIe或其它专用串行/并行接口的芯片组。有些芯片组没有专门的内置扩展功能，设计人员不得不使用替代性接口，如USB或SD端口。这意味着FPGA必须能够通过其中一种解决方案支持一种接口，但代价是创建接口需要一定的时间和知识储备。赛灵思联盟合作伙伴Xylon公司已经开发出一种知识产权(IP)基础包，可以实现连接不同接口所要求的“管道”，从而有效解决数据出入主系统的问题。由于无需了解一个特定主机接口的规范，因而设计人员可以从容地专注于设计的应用方面。既然快速改变主机接口是可能的，那什么时候适合做出改变呢？在许多情形下，调整平台是有用的方法。将基础平台从低端产品调整到高端产品也许就是一个很好的例子。后者可能有要求高带宽的应用接口——例如视频输入——因此PCIe是必要的。在同一系列的低端产品中，也许不要求视频输入，此时带宽需求将显著下降。这时最具成本效益的架构是使用对主机接口要求较低的应用接口，例如USB或SD。FPGA的灵活性和可扩展性是与生俱来的。在本例中，FPGA本身可以调整到采用相同封装或不同封装的更小器件。由Xylon公司开发的配套芯片接口库(CCI)提供了非常快速的搭建“真实”接口的方法，避免了对性能指标的猜测，而在实际系统中性能指标是高度可变的。该公司的信息娱乐配套芯片开发平台提供了简化设计过程的必要硬件和软件，不仅具有灵活性和可扩展性的优势，而且缩短了开发时间。图：硬件平台架构流程。电子工程专辑