FPGA曾一度被認為是僅用于開發的解決方案,但如今其價位下降非常迅速,使得許多問題迎刃而解,甚至能以低于傳統ASIC或ASSP解決方案的總體系統成本投產。現在,面向汽車市場的各大FPGA供應商均已通過ISO-TS16949認證,使得可編程邏輯器件逐漸成為汽車市場的主流技術。

車載網絡電氣架構

在過去十年間,很多專用的OEM汽車制造商的網絡協議已經讓位于CAN、MOST 和 FlexRay等更為標準化的全球協議。因此,半導體供應商可以專心制造符合這些協議的器件,并使一級配件供應商競爭更加激烈并且紛紛降價,同時也促進了汽車OEM制造商之間的模塊互通性。但是,今天的汽車電氣架構中仍有許多問題困擾著汽車OEM制造商和一級配件供應商。

工程師可以按幾種不同方式劃分和制定網絡策略。高端汽車最多可有七條不同網絡總線同時運行。例如,一輛汽車可以有一條LIN回路用于后視鏡、一條500Kbps的低速CAN回路用于座椅或車門控制等低端功能、一條1Mbps的高速CAN回路用于車身控制、另一條高速CAN回路用于駕駛員信息系統、一條10Mbps的FlexRay回路用來提供實時駕駛員輔助數據,以及一條25Mbps的MOST回路用于在導航或后座娛樂等多種信息娛樂系統內部或之間傳輸控制和媒體流。

另一方面,低檔汽車可以只有一條LIN或CAN回路,令所有其他模塊幾乎毫無交互操作地獨立工作。不同OEM汽車制造商會以不同方式處理模塊間通信和汽車網絡拓撲結構,而且每種車載平臺都不同,這使一級配件供應商難以開發既有正確接口又可重復使用的模塊架構。容納模塊的最終架構的不確定性正是FPGA的用武之地。

ASIC、ASSP和微控制器具有固定的硬件架構,其資源往往不是缺乏就是過剩,毫無靈活性可言。FPGA的可編程性(以及可再編程性)便于增減片上通道(如CAN通道),而且允許重復使用IP。有了這種靈活性,即可將針對網絡接口的數量和類型優化過的解決方案迅速制成模塊。

網絡協議的半導體實現

FPGA的長處不僅在于接口數量與類型方面的可縮放性。對ASSP、ASIC和微控制器來說,其外設宏指令是用硬件實現的,因此天生就缺少靈活性。而在FPGA環境中,網絡接口IP本身可根據所用IP進行優化。

例如,利用Xilinx LogiCORE CAN或FlexRay網絡IP,用戶可以靈活地設置發送和接收緩沖器的數量以及濾波器的數量。在傳統硬件解決方案中,使用CAN控制器的工程師通常只有16、32和64個消息緩沖器這三種配置選擇。根據系統功能的級別和FPGA外部的可用處理能力,Xilinx的可縮放MOST網絡接口解決方案包括可配置成主操作或從操作的網絡控制器IP以及異步采樣速率轉換器(ASRC)、數據路由器或者復制保護用加密引擎等大量IP。

這種IP允許優化,既能裝入低端解決方案中的較低密度器件,也能裝入高端解決方案的較高密度器件,并且常常在模塊的目標電路板上使用相同的封裝外形。另外,對于各主要協議,業界已開發出可完善解決方案的中間件堆棧和驅動器。FPGA解決方案的這種可縮放性和通用性在傳統汽車硬件解決方案中是根本不可能實現的。

各大FPGA供應商都有軟微處理器,這些軟微處理器可以在控制功能的架構中高效實現,并且其運行速度可與某些硬件中嵌入的微處理器媲美。FPGA架構的另一大優勢是能夠通過使用乘法器或片上硬MAC中的并行DSP處理功能來卸載微處理器和分區上的處理任務,從而提高總體性能和吞吐量。

可編程邏輯器件已取得長足進步

可編程邏輯器件已取得長足進步,逐漸成為汽車市場的主流技術。各種可編程邏輯器件在可靠性方面難分伯仲,而FPGA技術則可以實現可縮放的靈活的集成,這在傳統的ASIC、ASSP或微控制器架構中是不可能實現的。開發周期縮短,可編程邏輯器件供應商采用先進的工藝技術以及可編程器件必然帶來的規模經濟,這些均促使總體生產系統成本得以降低。

隨著車載網絡的關鍵IP和解決方案日趨成熟以及FPGA架構的性能潛力逐漸提高,可編程邏輯器件將在攻克車載電氣架構開發中固有的某些工程難題方面發揮重要作用。

作者:Kevin Tanaka

全球汽車營銷及產品規劃經理

賽靈思公司

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