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

　　事實(shí)上，其中的一大優(yōu)勢是如果 FPGA 包含有不必在啟動(dòng)時(shí)(如在 ECU 喚醒或加電)配置的部分可重配置區域，可以縮短系統啟動(dòng)時(shí)間。不支持動(dòng)態(tài)部分可重配置的 FPGA在加電時(shí)需要配置所有的 FPGA 資源，但運行時(shí)可重配置 FPGA 只需下載部分位流進(jìn)行部分重配置。

　　由于當今先進(jìn)的 FPGA 器件具有巨大的容量，故在加電時(shí)下載完整的位流會(huì )引起可觀(guān)的配置時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。運行時(shí)部分可重配置技術(shù)能夠顯著(zhù)地縮短這種配置時(shí)延。在那種情況下，有可能在加電時(shí)只配置一個(gè)最起碼的子系統(即引導載入程序和立即需要的部分系統應用)，讓系統其余部分保持待機狀態(tài)，直到有必要初始化為止。如果系統在加電或喚醒時(shí)需要快速響應，可將這種啟動(dòng)工作劃分為兩個(gè)階段，以加快初始化過(guò)程。為此，可將系統架構分解為一個(gè)靜態(tài)域和一個(gè)或者多個(gè)部分可重配置域 (PRR)。靜態(tài)域涵蓋負責執行啟動(dòng)過(guò)程的系統(一般來(lái)說(shuō)是主機 CPU)，以及可重配置引擎和通往位流庫的數據鏈路。由特定部分位流描述的其他域可按應用需求，隨后下載。

　　另外，如果禁用 PRR 域，則可以讓器件的功耗與禁用區域部分成比例降低。在使用汽車(chē)電池供電的 ECU 中，節能模式尤為重要。為此，在車(chē)輛未使用時(shí)(即處于休眠模式時(shí))，車(chē)載 ECU 可使用低功耗模式，以讓 ECU 功耗保持最低。同樣，可以在不需要的時(shí)候使用空白位流禁用 FPGA 的部分區域，減少邏輯活動(dòng)，從而降低動(dòng)態(tài)功耗。

　　在采用運行時(shí)可重配置邏輯的系統中，汽車(chē)設計人員還可使用一種從航空航天應用中借鑒來(lái)的重配置技術(shù)。重配置(configuration scrubbing) 可以將系統從因單粒子翻轉 (SEU)和電磁干擾造成的 SRAM 故障中恢復過(guò)來(lái)。定期重新配置硬件外設可保證系統在出現故障時(shí)自我修復。另外，這樣也可以將故障的最大時(shí)長(cháng)限制在重配置時(shí)間間隔內。這種技術(shù)也通常運用在軟件中，作為一種常見(jiàn)的抗干擾保護措施，例如 MCU 外設的定期重配置。

　　另一項運行時(shí)部分重配置技術(shù)的靈活性帶來(lái)的有前景的功能是在 FPGA 資源的某個(gè)特定二維位置出現永久性或不可修復的電路故障，比如影響到特定邏輯單元或 RAM 模塊時(shí)，可通過(guò)功能重定位實(shí)現故障修復。一旦發(fā)現有硬件或軟件故障出現，可以在運行中將所需的功能自動(dòng)重定位到同一 ECU 中的可編程邏輯器件的其他部分。雖然這個(gè)構思是可行的，但這項功能還沒(méi)有得到當今的自動(dòng)化工具的完全支持。

　　適用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的運行時(shí)可重配置計算技術(shù)最強大的特性無(wú)疑是共享的硬件資源上功能的實(shí)時(shí)時(shí)分復用?？梢詫τ?ECU 中的相同計算資源處理的功能性應用進(jìn)行時(shí)間共享，如果應用間相互獨立(例如，當車(chē)輛向前直行駛時(shí)使用行車(chē)道偏離預警功能，倒車(chē)時(shí)，則切換到后視攝像頭視圖或停車(chē)輔助應用)。這種設計思路可以幫助降低此類(lèi)嵌入式系統的成本和復雜性，釋放空間，減輕車(chē)身重量。

　　這種設計思路還可用于實(shí)現特定算法在不斷變化的環(huán)境條件或者外部條件中的自適應性。例如，給定的引擎控制算法可通過(guò)部分可重配置自主調整部分硬件模塊，以在任何運行溫度下或電池電壓下實(shí)現理想的運行。同樣的理念對通信系統也適用，比如可以設計某種加密控制器，能夠在運行中運用特定的參數函數制定專(zhuān)門(mén)的安全等級。另如，可以設計某種 ECC 加密器/解密器 IP，用于在高噪聲通信信道中檢測和修改數據傳輸錯誤，能夠根據感應到的信噪比動(dòng)態(tài)適應其硬件架構。

　　圖5顯示了一個(gè)采用賽靈思 Virtex®-4 FPGA 部署的 ECU 系統的示例，由一個(gè)靜態(tài)域和一個(gè)部分可重配置域構成。靜態(tài)域集成了一個(gè)MicroBlaze軟核處理器和一個(gè)基于 ICAP 的重配置控制器，部分可重配置域 (PRR) 則發(fā)揮著(zhù)共享資源的作用，負責在不同時(shí)間換入和換出不同的功能任務(wù)或應用。

　　最后，如果將前述的構想發(fā)揮到極致，可以設計出一種通用汽車(chē) ECU 平臺。這種平臺可以在生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行配置并針對汽車(chē)中特定的 ECU 功能進(jìn)行定制。這種構想在技術(shù)上借助可重配置硬件具有可行性，能夠簡(jiǎn)化制造廠(chǎng)的物流要求，將存貨壓低到最低水平。這是因為從硬件的角度來(lái)看，在生產(chǎn)線(xiàn)上組裝的模塊對所有車(chē)輛都是一樣的，都采用單一平臺設計或產(chǎn)品架構(基于靈活的硬件)。只有可下載的位流會(huì )讓 ECU 的功能具有差異。

圖5 在由部分可重配置域和靜態(tài)域構成的運行時(shí)可重配置 FPGA 中實(shí)現的汽車(chē) ECU 應用的空間分區和臨時(shí)分區

　　高集成度ECU

　　在當今的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，有約 90% 的創(chuàng )新來(lái)自汽車(chē)電子設備，而且這個(gè)勢頭方興未艾。未來(lái)汽車(chē)將采用非常先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，實(shí)現大量的新功能，比如自動(dòng)駕駛、車(chē)輛間通信、娛樂(lè )以及和更高安全性。但是，對在這個(gè)以大批量制勝的產(chǎn)業(yè)而言，控制車(chē)載嵌入式系統的成本對汽車(chē)制造商極其重要。因此，當前的趨勢是在減少車(chē)輛中的 ECU 數量的同時(shí)讓每個(gè) ECU 發(fā)揮強勁的功能。要實(shí)現這個(gè)目標需要功能更加強大的計算平臺。

　　許多行業(yè)參與方共同采用的方法是開(kāi)發(fā)用作域控制器的高集成度 ECU。就是將多個(gè)單核處理器或微控制器布置在同一開(kāi)發(fā)板上，共享總線(xiàn)連接和其他資源，旨在從整車(chē)的角度降低系統復雜性。這種趨勢讓我們聯(lián)想到可以將可重配置硬件用于 ECU 的設計，從而在有效提高計算并行性，降低 PCB 的復雜性的同時(shí)，實(shí)現最高性?xún)r(jià)比解決方案。

　　這種設計方法雖然在我們的工作中尚處于萌芽階段，卻為將 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準與運行時(shí)可重配置硬件融合用于軟/硬件聯(lián)合設計，實(shí)現完整的車(chē)載嵌入式 ECU 系統奠定了基礎。實(shí)際上，雖然目前 AUTOSAR 還沒(méi)有覆蓋到可重配置硬件，但我們不排除將來(lái)有這種可能?；?SRAM 的運行時(shí)可重配置 FPGA 已用于航空航天應用，能夠滿(mǎn)足容易導致 SEU 的更為惡劣的環(huán)境條件的要求，況且汽車(chē)行業(yè)從歷史上看有借鑒航空航天行業(yè)率先開(kāi)創(chuàng )的風(fēng)氣的習慣。另外，在市場(chǎng)上已經(jīng)存在某些合格的用于實(shí)現基于 FPGA 的安全相關(guān)系統的設計方法和工具，而且行業(yè)中涉及 FPGA 器件的標準也已經(jīng)存在有相當長(cháng)時(shí)間，比如用于規范航空電子業(yè)組件和系統設計的 DO-254 標準。

　　聯(lián)合設計帶來(lái)模式變革

　　因此，我們的工作將掀起汽車(chē)產(chǎn)業(yè)計算模式的變革。在特定的 ECU 應用場(chǎng)景中，純軟件的解決方案將被軟/硬件聯(lián)合設計和可重配置計算技術(shù)所取代。這是因為采用馮諾依曼型 MCU 的純軟件方法由于性能、復雜性和安全性方面的局限，已不敷使用?？删幊踢壿嫾夹g(shù)的價(jià)格的不斷降低，加上汽車(chē)電子控制單元性能需求的不斷走高，將在不久的將來(lái)把這場(chǎng)變革變?yōu)楝F實(shí)。

　　兩大關(guān)鍵標準

　　汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在設計車(chē)載電子設備時(shí)已將兩項關(guān)鍵標準奉為圭皋。其中一項標準是 AUTOSAR，它通過(guò)適當的軟硬件架構解決嵌入式系統復雜性問(wèn)題。另一項標準是即將推出的 ISO 26262，用于管理功能安全性。AUTOSAR提出的以及 ISO 26262 采用的相關(guān)技術(shù)課題主要為安全問(wèn)題的檢測和處理，比如運行時(shí)發(fā)生的硬件故障、時(shí)序失常和應用執行的邏輯順序打亂、數據損壞等。