如何在FPGA內實(shí)現最佳化車(chē)用MCU設計方案？

　　在汽車(chē)電子中廣為采用的微控制器(MCU)正快速面臨時(shí)間和成本的壓力。使用MCU的主要優(yōu)勢一直以來(lái)都是‘創(chuàng )造具有高性?xún)r(jià)比的高階系統整合’。然而，在此一優(yōu)勢之下，有一些與元件本身相關(guān)的潛在成本是超乎于其單價(jià)水平的。例如，若選用的元件無(wú)法創(chuàng )造所需特性，則必須增加外部邏輯、軟件或其它整合元件。

　　再者，目前汽車(chē)終端市場(chǎng)對于需求的變化屢見(jiàn)不鮮，以至MCU很快就變得不適用;許多具有專(zhuān)門(mén)特性以及固定專(zhuān)用界面數量的MCU，經(jīng)過(guò)短暫的評估后即無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。因此，系統供應商不得不重新設計硬件及編寫(xiě)相關(guān)軟件，在某些情況下，甚至必須更換處理器核心。

　　MCU的困境

　　MCU制造商正被迫面對會(huì )為整個(gè)市場(chǎng)帶來(lái)巨大影響的挑戰。MCU是針對應用而設計的元件;因此必須針對個(gè)別應用，設計具有不同性能組合的新元件。要以一個(gè)單一核心架構來(lái)滿(mǎn)足這個(gè)廣大市場(chǎng)，制造商必須提供多款MCU系列，提供不同的界面與功能。而市場(chǎng)上大部分的實(shí)例顯示，目前的特性組合無(wú)法具體滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，為了能夠量產(chǎn)，必須在一個(gè)特定核心架構上改變新界面與功能。

　　過(guò)去的MCU是以舊有技術(shù)搭配相對低的制造成本來(lái)實(shí)現，在過(guò)去這是個(gè)成功的方法。但現在，為實(shí)現更高階的系統整合，廠(chǎng)商不斷采用先進(jìn)制程技術(shù)，開(kāi)發(fā)新的變種MCU所需費用變得相當可觀(guān)。由于只有少數客戶(hù)會(huì )下訂單，因此，為滿(mǎn)足單一客戶(hù)需求而生產(chǎn)如此特殊的元件便不再具有商業(yè)意義。

　　因此，新的變種MCU被設計成具備越來(lái)越豐富的特性，以吸引整體市場(chǎng)，它正向標準產(chǎn)品發(fā)展，不再是針對特殊應用的元件。然而雖然這些標準產(chǎn)品的功能非常強大，但其成本也相對大幅增加，最后變得更難滿(mǎn)足諸如汽車(chē)電子等對成本非常敏感的市場(chǎng)。

　　除了改變引起問(wèn)題的根源——芯片上的固定功能，我們別無(wú)他法。很明顯的，我們需要一種新的設計方法。

圖1：此汽車(chē)資訊娛樂(lè )平臺具有多個(gè)子系統、可擴展界面以及功能。

　　靈活的MCU概念

　　打破這個(gè)僵局的方法，是使用FPGA在芯片上實(shí)現靈活的功能。FPGA能顯著(zhù)縮短工程開(kāi)發(fā)時(shí)間以及降低多次芯片返工成本，為MCU提供一個(gè)強而有力的可行替代方案。例如，采用基于FPGA的方法為汽車(chē)音響和導航設備開(kāi)發(fā)一個(gè)靈活的繪圖系統，可將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短6個(gè)月。

　　與不具備所需特性的MCU不同的是，在設計過(guò)程中，可根據需要對FPGA進(jìn)行編程和改編，以加快原型產(chǎn)生速度及產(chǎn)品上市時(shí)間。若需求改變，還可在現場(chǎng)對FPGA進(jìn)行升級——即使元件已被安裝在產(chǎn)品內。

　　相較于傳統控制器，FPGA已成為汽車(chē)繪圖控制器所采用的主要設計方法。雖然為了諸如繪圖等獨立功能所設計的低價(jià)FPGA能廣泛地為汽車(chē)市場(chǎng)所接受，但為實(shí)現可編程能力，仍需在芯片上做出巨額投資，因此擴增的復雜功能也將使得可編程元件價(jià)格趨于昂貴。

　　但隨著(zhù)目前已能從FPGA無(wú)縫轉換為結構化ASIC，一個(gè)靈活的微控制器已兼具了價(jià)格競爭力，它從一個(gè)預定義的大型元件庫與可擴展建構模組中所選取的性能也可以具體滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

　　它與傳統MCU的主要區別在于，從原型FPGA到最終MCU的無(wú)縫轉換過(guò)程。CPU和匯流排架構對靈活的MCU概念來(lái)說(shuō)都是特殊的，且對于特定客戶(hù)應用，它們可將所需特定功能及特性映射到設計中。

圖2：FPGA到ASIC整合提升了控制器的性能和特性。