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利用FPGA協(xié)處理器優(yōu)化汽車(chē)信息娛樂(lè )和信息通訊系統設計
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時(shí)間：2016-12-20
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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集成了數據通信、本地服務(wù)和視頻娛樂(lè )功能的高端汽車(chē)信息娛樂(lè )系統需要高性能的可編程處理技術(shù)支持，將FPGA協(xié)處理器整合進(jìn)主流汽車(chē)信息通訊系統架構是最理想的解決方案。本文提出了汽車(chē)娛樂(lè )系統的要求，討論了主流系統架構，并介紹如何將FPGA協(xié)處理器整合進(jìn)硬件和軟件架構以滿(mǎn)足高性能處理要求、靈活性要求及降低成本的目標。
娛樂(lè )電子正成為豪華汽車(chē)之間差異化的主要方面，因而推動(dòng)了其性能和功能的快速發(fā)展。如何折衷考慮性能、成本和靈活性要求是設計工程師面臨的挑戰。高端應用包括衛星收音機、后座娛樂(lè )、導航、各種類(lèi)型的音頻回放、語(yǔ)音合成和識別，以及其它新的應用。
汽車(chē)娛樂(lè )系統用的核心技術(shù)與傳統的汽車(chē)應用有本質(zhì)的區別。與汽車(chē)電子的其它領(lǐng)域不同，這些娛樂(lè )應用是天天要用的，需求也不斷在發(fā)生變化。另外，過(guò)時(shí)的娛樂(lè )系統將成為新車(chē)銷(xiāo)售的主要障礙，并且會(huì )影響汽車(chē)轉售價(jià)格和出租價(jià)格。
車(chē)載娛樂(lè )系統的技術(shù)要求
傳統的汽車(chē)電子為具有較長(cháng)產(chǎn)品壽命、更寬溫度范圍和低成本要求的全面標準化推動(dòng)，車(chē)載娛樂(lè )系統基本上也要滿(mǎn)足這些要求。設計工程師不但需要設計長(cháng)壽命的系統，并且要能適應系統功能的快速發(fā)展。這些要求需要很強的靈活性和性能，這是以傳統的特定應用標準產(chǎn)品(ASSP)為基礎的系統架構所不能提供的。
現在設計的車(chē)載娛樂(lè )系統的基本架構能夠支持平板顯示器，通過(guò)圖形化的人機界面可以顯示動(dòng)態(tài)地圖和汽車(chē)信息。這些架構周邊有高度標準化的微控制器、各種標準接口以及支持低端圖形處理的簡(jiǎn)單硬件加速器。這種架構能夠以非常低的成本滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)的中等級娛樂(lè )系統要求，也能擴展到高端應用以適合頂級豪華汽車(chē)市場(chǎng)要求，視頻圖像處理和通信是典型的頂級應用例子。支持這些應用的各種標準包括視頻的MPEG2、MPEG4和H.264，以及通信的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、衛星收音機、衛星電視、數字視頻廣播和WiFi，這些標準都依賴(lài)于不斷發(fā)展的多種信號處理算法，這些算法需要特別高的可編程處理性能。
目前有三種半導體技術(shù)可用于實(shí)現這些高度復雜的算法，這三種技術(shù)分別是可編程數字信號處理器(DSP)、ASSP和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。DSP是一種高性能可編程處理器，專(zhuān)門(mén)設計用于信號處理，DSP處理器靈活性高、功耗低、性?xún)r(jià)比也較高，但沒(méi)有硬件加速功能，不能提供當今高級圖像處理和無(wú)線(xiàn)通信算法所需的計算能力；通常內含DSP處理器的ASSP能夠為簡(jiǎn)單視頻或通信標準提供優(yōu)化解決方案，但不能被編程以適應不同的標準；而FPGA不僅具有很高的處理性能，而且可編程，因此可以滿(mǎn)足多種應用和標準要求。與其它二種技術(shù)不同，FPGA的靈活性和性能可以滿(mǎn)足所有潛在算法的要求。
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圖一 |
FPGA協(xié)處理器的應用
上文提到的信息通訊基本架構需要額外的處理芯片來(lái)處理高端應用，這些芯片一般是ASIC和ASSP，它們通過(guò)存儲器或視頻處理總線(xiàn)與處理器集成，從而成為特定應用協(xié)處理器。用FPGA替換這種特定應用硬件是一種非常好的方法，將FPGA和處理器集成在一起的應用稱(chēng)為FPGA協(xié)處理。FPGA的這種使用方式能夠根據要求將新的特定應用加速器下載到FPGA中，從而協(xié)助完成任何高性能應用。這一概念被廣泛應用于高級軍事多標準無(wú)線(xiàn)電設備，通常稱(chēng)為軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)。采用SDR技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵就可以使一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備自動(dòng)適應不同的無(wú)線(xiàn)電標準，這不僅有助于設備適應于未來(lái)的應用，也能減少執行不同任務(wù)時(shí)空閑的定制處理器的數量。這種軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)也可以用于車(chē)載通信和視頻應用。
FPGA在視頻處理和無(wú)線(xiàn)連接方面的靈活性還能節約設備成本，增加系統的價(jià)值。目前的基本架構需要ASSP才能支持每個(gè)新的視頻編解碼或無(wú)線(xiàn)標準。用一個(gè)FPGA替代多個(gè)ASSP可以減少汽車(chē)使用壽命期間必須配置和維護的次數。擴展車(chē)載娛樂(lè )系統的基本架構，使其包含FPGA就可以提供可編程的單一高端平臺，從而涵蓋更寬范圍的視頻和無(wú)線(xiàn)標準和性能。這種方法同樣適合高級汽車(chē)娛樂(lè )系統架構使用。
Delphi Delco電子系統公司發(fā)布了先進(jìn)的汽車(chē)娛樂(lè )系統架構范例。該平臺采用了一個(gè)標準的SH-4微處理器和一個(gè)日立的HD64404“Amanda”ASIC器件，提供了80%中級汽車(chē)市場(chǎng)所需的基本功能。該系統提供了一個(gè)帶標準API層的通用控制處理器，可以對硬件外設和協(xié)處理器進(jìn)行抽象。ASIC提供基本的外圍器件功能和一體化的圖形處理器，這種圖形處理器可以支持交互圖形和擴展功能，但不能提供視頻編解碼或其它DSP功能。該系統提供了所有娛樂(lè )設備所需的基本功能，但仍需要額外的ASIC或ASSP才能完成視頻編解碼和無(wú)線(xiàn)通信。
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圖二 |
Delphi架構中的Amanda芯片(見(jiàn)圖1，2 )使用了兩條處理總線(xiàn)，即用于視頻處理等高性能數據流的Pixel總線(xiàn)以及控制用的寄存器總線(xiàn)，這兩條總線(xiàn)都相連于SH-4 MPX總線(xiàn)和外部存儲器接口?？偩€(xiàn)和存儲器接口的這種完美組合可以很好地支持基于FPGA協(xié)處理器的靈活視頻編解碼和無(wú)線(xiàn)通信平臺。
FPGA協(xié)處理可使FPGA與控制或DSP處理器緊密整合在一起，因此可以分擔大部分算法處理任務(wù)，同時(shí)保留標準編程接口于控制處理器上。當算法的主要數據流駐留于FPGA或相關(guān)存儲器上時(shí)，這種整合的運行效果最佳。算法是由來(lái)自于控制處理器的緩慢控制信號控制。
該類(lèi)型架構可以應用于無(wú)線(xiàn)通信，它能通過(guò)單個(gè)FPGA支持GSM/EDGE、WCDMA、1xEVD0中的數字處理以及各種802.11標準。其它方案只能是針對每個(gè)標準做專(zhuān)門(mén)的硬件設計，但這樣做會(huì )成倍增加成本和電路板面積。
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