基于FPGA的汽車(chē)ECU設計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準（二）

基于 FPGA 靜態(tài)硬件的 ECU 設計

　　AUTOSAR 架構非常適合由 CPU、存儲器和可編程邏輯組成的嵌入式系統。ECU 平臺需要一個(gè) CPU 或主機處理器來(lái)管理應用并處理分布在應用層的軟件組件中的不同功能。同時(shí)，MCU 層和部分基礎軟件層可以在可編程邏輯結構中的硬件中綜合。因此，除了能夠實(shí)現與 CPU 相連的標準外設，其它定制外設和協(xié)處理器也能夠在硬件中并存，并在軟件中完全或部分地加以管理。

　　另外從功能安全的角度來(lái)看，專(zhuān)用協(xié)處理器或內核處理器也非常適用，因為用它們實(shí)現功能可讓硬件從源頭避免干擾，即便要求冗余性，也能給系統設計帶來(lái)高靈活性。另外，居于中間的 RTE 層可以在分布于 FPGA 中的 RAM 模塊中，或者在嵌入在器件邏輯單元中的觸發(fā)器中以及外部存儲器中綜合。而且，RTE 信號接口經(jīng)簡(jiǎn)單設計就能夠同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作（通過(guò)單端口存儲器）或限制架構僅進(jìn)行讀操作或者寫(xiě)操作（通過(guò)配有兩個(gè)獨立讀寫(xiě)端口的單個(gè)雙端口存儲器），以防范干擾，比如 AUTOSAR 所定義的彼此對應的發(fā)送器和接收器軟件端口。

　　
圖2 將 AUTOSAR ECU 架構移植到 FPGA 平臺上

　　建議將基于 MCU 的 AUTOSAR ECU 架構移植到可擴展處理平臺 （EPP） 或者 FPGA 器件上，并在各層中確保清晰的系統分區，如圖 2 所示。位于 RTE 層以下的有操作系統 （OS）、存儲器協(xié)議棧、通信協(xié)議棧、I/O 協(xié)議棧等。位于 RTE 層以上的是軟件組件，它們用于實(shí)現應用并通過(guò) AUTOSAR 接口與 RTE 進(jìn)行通信。

　　由于 AUTOSAR 架構內在的復雜性，需要功能強大的嵌入式計算平臺才能進(jìn)行部署。如今，典型的 ECU 設計基于運行在 MCU 平臺上的 32 位單核處理器。但是單核越來(lái)越難以提供所需的全部計算能力。而使用多核 CPU 需要通過(guò)多處理器總線(xiàn)和仲裁機制共享程序/數據存儲器，往往會(huì )導致高度復雜的解決方案，造成性能劣化。

　　作為這種方案的替代，我們提出了一種基于可編程邏輯的設計。這種設計只采用一個(gè)單核處理器來(lái)發(fā)揮主機 CPU 的作用，但配有更智能的外設、協(xié)處理器乃至從處理器。所有這些計算單元都可以在 FPGA 架構中例化為新的軟核處理器，比如賽靈思 PicoBlazeTM 和 MicroBlazeTM，從 FPGA 的專(zhuān)用 RAM 模塊運行自己的代碼（各個(gè)軟核處理器均分別配有專(zhuān)用程序存儲器），此外，也可例化為定制的硬件加速器。兩種方式的拓撲架構均由一個(gè)主機 CPU 和分擔 部分CPU 任務(wù)的智能外設構成，從而可降低系統復雜性。這樣，主機 CPU 負責管理軟件中的整個(gè)應用層，而定制外設則負責管理 BSW 層，這兩者以并行的方式彼此獨立地自動(dòng)運行。此外，這種外設設計的方法的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠讓主機 CPU 的軟件執行更加線(xiàn)性化，即外設不會(huì )通過(guò)中斷服務(wù)程序產(chǎn)生過(guò)多的請求 CPU 關(guān)注的中斷。圖 3 顯示了這種系統的方框圖及其對應為 FPGA 器件中綜合的功能單元的組件細分情況。

　　
圖3 在 FPGA 中部署的汽車(chē) ECU 方框圖

　　FPGA 方法能夠實(shí)現與多處理器平臺相媲美的系統性能，且和單核處理器一樣簡(jiǎn)單易用，這主要歸功于采用了可與主機處理器并行處理的功能強大的、自動(dòng)化定制協(xié)處理器。

　　這種方法能夠實(shí)現與多處理器平臺相媲美的系統性能，而且就軟件開(kāi)發(fā)和維護而言，和單核處理器一樣簡(jiǎn)單易行。通過(guò)使用專(zhuān)用硬件構建可與主機處理器并行處理的功能更強大的自動(dòng)化定制協(xié)處理器，就可實(shí)現這種最佳平衡。

　　從概念上來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)將這些系統架構用 RTE 接口劃分為頂層和底層兩個(gè)彼此獨立的主要層次來(lái)要簡(jiǎn)化設計。頂層相當于 AUTOSAR 的應用層，由負責管理車(chē)輛中最終用戶(hù)功能的軟件組件構成。而底層則由硬件和基礎軟件乃至 RTE 鏈路構成。應用層從數值上來(lái)說(shuō)，可代表約 90% 的車(chē)載高級功能，而且所有 RTE 以上的源代碼都可重復利用。

　　同時(shí)，底層包含能夠賦予頂層靈活性和多用性的全部功能。這即是說(shuō)，底層可完成特定硬件平臺上所有可重用功能的定制化。這樣，頂層從本質(zhì)上說(shuō)是通過(guò)以有限狀態(tài)機 （FSM） 形態(tài)實(shí)現的算法來(lái)實(shí)現對某些車(chē)輛負載、傳感器和制動(dòng)器的控制的一套軟件功能。這些算法由 CPU 循環(huán)執行，并在操作系統控制的軟件任務(wù)中調度。