MicroBlaze微處理器在實時汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用

　普遍認為開發(fā)多處理器系統(tǒng)軟件的難度要大于單處理器系統(tǒng)。但實際情況并非總是如此。我們這個在 TRW 汽車公司下屬的咨詢部 TRW Conekt 工作的設(shè)計團隊最近接管了一個項目，展示了如何根據(jù)手中的問題發(fā)揮硬件的功能，并通過使用許多個處理器開發(fā)出高效系統(tǒng)。

　　我們小組接到了一項任務(wù)，為一個名為“Foot-LITE”的項目開發(fā)車載嵌入式處理電子系統(tǒng)(該項目由MIRA 公司牽頭，英國政府支持的技術(shù)戰(zhàn)略委員會、交通部和工程物理科學研究所贊助)。該項目能夠為駕駛員提供反饋信息，從安全和燃油經(jīng)濟性的角度讓他們了解他們的駕駛習慣。

　　該系統(tǒng)通過兩種方式為駕駛?cè)藛T提供反饋。一是，由一個儀表盤式的智能電話顯示系統(tǒng)(由布魯塞爾大學設(shè)計，HW CommunicaTIons 公司開發(fā))向駕駛員提供與需要立即關(guān)注的事件有關(guān)的實時通信。二是，該系統(tǒng)還能夠連續(xù)采集行程數(shù)據(jù)，包括特別“事件”的視頻流，然后將其上傳到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，供用戶在閑暇時查看。根據(jù)我們的合作伙伴汽車高級駕駛協(xié)會 (Institute of Advance Motorists) 提出的駕駛建議，另一個合作伙伴英國里卡多有限公司 (Ricardo UK) 開發(fā)出了一種算法，能夠決定哪些事件需要標出來提醒用戶注意。

　　該項目將把這個系統(tǒng)安裝到由30輛車組成的車隊里。測試車手由項目合作方Hampshire縣議會 (Hampshire County Council) 公開招募。

　　該項目將逐步納入由12家行業(yè)、政府和學術(shù)合作伙伴協(xié)同研究的成果。這意味著我們需要非常靈活的解決方案來解決我們的處理問題。

　　起初，我們想提供單處理器系統(tǒng)。不過很快發(fā)現(xiàn)，專用處理器可以簡化算法開發(fā)工作每次迭代所需的集成工作。

　　基本系統(tǒng)

　　我們已經(jīng)有一種處理器系統(tǒng)，目前正在另一個項目中進行開發(fā)，主要用于圖像處理(圖2)。

　　該系統(tǒng)基于連接到 4 個獨立的DDR存儲塊的單個Xilinx? Spartan?-3A XC3SD3400A器件。該架構(gòu)可以讓用戶實現(xiàn)眾多不同的處理器/邏輯配置。舉例來說，可以把整個 FPGA 結(jié)構(gòu)用作完全采用HDL定義的純邏輯資源。另外，還可以使用更高級的工具，比如賽靈思EDK來實現(xiàn) 4 個(或者更多)的軟核微處理器。每個軟核微處理器都可以訪問自己專用的DDR存儲設(shè)備，保護數(shù)據(jù)免遭其它微處理器的干擾。對于其他的簡單工作，可以使用內(nèi)嵌的BRAM塊來實現(xiàn)更多的處理器。

　　圖 1 – Foot-LITE 系統(tǒng)

　　此外，可以采用小型子卡來配置對外的I/O，從而可以針對不同的項目迅速轉(zhuǎn)換定制的I/O設(shè)置。

　　項目合作伙伴很早就決定采用USB接口，因為這樣可以向系統(tǒng)添加各種外設(shè)。然而這需要一些形式的USB 協(xié)議棧——我們通過使用Petalinux版本的uclinux獲得，以及一個配有USB主機設(shè)備的子卡。

　　使用 Linux 還為我們提供了一種管理SPI閃存設(shè)備的簡單方法，該系統(tǒng)可提供 FPGA 比特流和應(yīng)用代碼存儲。我們安裝了一個簡單的 JFFS2 文件系統(tǒng)，可以通過以太網(wǎng)(使用 FTP)或啟動USB 記憶棒(包含一個腳本，用以將新代碼上載到內(nèi)部閃存上)來實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用升級。在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，所有這些要求都需要軟件小組編寫底層應(yīng)用代碼。不過，在有了 Linux 之后，我們可以輕松地編寫簡單的 Bash 腳本來控制這些流程。

　　Foot-LITE 算法

　　Ricardo開發(fā)出了用于評估駕駛員行為的核心算法，并將其應(yīng)用在自己的 rCube 快速原型設(shè)計系統(tǒng)上 (http://www.ricardo.com/en-gb/ Engineering-Consulting/AutomotiveExpertise/Controls--Electronics/ Embedded-Software/rCube/)。我們采用這種方法進行了初步的仿真器測試，并在三輛測試車輛上進行了試用。在測試車輛上，一個嵌入式視覺系統(tǒng)(基于現(xiàn)有的 TRW 產(chǎn)品——湊巧也有 FPGA)用于測量與前車之間的距離，并評估車輛在車道上的位置。測試車輛還可通過雷達系統(tǒng)提供距離信息。作為投產(chǎn)前的一個步驟，我們在更大規(guī)模的試驗中取消了雷達系統(tǒng)，因為視覺系統(tǒng)已經(jīng)能夠為應(yīng)用提供足夠的信息。

　　我們在車輛上安裝了前視攝像頭和處理子系統(tǒng)，兩者整合成一個小型設(shè)備，安裝在后視鏡的旁邊。子系統(tǒng)中的嵌入式算法可通過視頻圖像處理來測量車身和車道邊緣之間的距離。此外，并行算法還可檢測到 Foot-LITE 車輛前面的車輛，并測量車頭間距。該子系統(tǒng)使用汽車標準的控制器局域網(wǎng)(CAN) 總線將數(shù)據(jù)傳輸給Foot-LITE子系統(tǒng)單元。

　　我們在 Foot-LITE單元中集成了三軸加速計和橫擺角速度傳感系統(tǒng)，這可以給Foot-LITE算法提供在需要時訪問高速率、低延時車輛動態(tài)信息的可能。

　　Foot-LITE 算法把所有的數(shù)據(jù)整合在一起，為駕駛員提供一系列與他的(或她的)駕駛風格相關(guān)的簡潔信息。

　　算法實施

　　起初，我們想提供一種單處理器系統(tǒng)。不過很快發(fā)現(xiàn)，專用處理器可以簡化算法開發(fā)工作每次迭代所需的集成工作。我們把主處理器和 Foot-LITE 算法處理器隔離開來，中間用MicroBlaze? Fast Simplex Link (FSL) 總線系統(tǒng)來實現(xiàn)通信。這樣可以把兩個處理器的存儲完全隔離開來(與常見的共享存儲的做法不同)，可以大幅度簡化集成工作，因為錯誤不會通過內(nèi)存損壞而從一個處理器遷移到另一個處理器上。

　　此外，這樣可以避免對處理器周期的競相爭用。這就意味著我們的合作伙伴可以放心，我們對主機應(yīng)用所做的任何修改都不會影響他們的應(yīng)用性能。

　　圖 2 – 基于 Spartan 的處理模塊

　　我們開發(fā)了一系列封裝功能，允許我們訪問Simulink? 編譯器生成的 C 語言程序，而無需對接口進行大幅更改。我們可通過 I2C 總線提供少量非易失板上緩存空間，用于存儲Foot-LITE 算法中的各種調(diào)節(jié)參數(shù) (tune parameter)。這就需要一個簡單的封裝程序，以便算法在 Simulink 環(huán)境下實現(xiàn)輕松訪問，從而在啟動時讀取該內(nèi)存，并在關(guān)斷時寫回。

　　該系統(tǒng)需要測量加速度和橫擺角速度，并通過CAN總線與車道和車輛檢測系統(tǒng)通信。由于我們已經(jīng)有了底層CAN 驅(qū)動程序，而且我們擔心Linux應(yīng)用在40毫秒的時間范圍內(nèi)測量車輛動態(tài)信息的及時性，我們決定在系統(tǒng)中再增加一個MicroBlaze。這樣可以不必把 CAN 驅(qū)動程序?qū)隠inux，而且可以通過另一個隔離的處理節(jié)點實現(xiàn)確定的性能。這對算法非常重要，因為算法使用的動態(tài)測量值。此外，這種方法還可以讓我們把編寫軟件的工作拆開，進行并行開發(fā)。這里我們還是使用 FSL 作為動態(tài)處理器和Foot-LITE 算法處理器之間的接口。

　　視頻捕獲與壓縮

　　系統(tǒng)的初步構(gòu)想是把視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳輸給 Foot-LITE 算法單元，為車道寬度和偏移量、與前方車輛之間的距離等提供簡單的測量。項目合作伙伴決定強化其設(shè)置，將捕獲到的視頻幀傳輸?shù)椒?wù)器，進行離線環(huán)境分析，以轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)提供的信息的含義。鑒于這項要求只針對“互聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量”的視頻(頻率為5 Hz 時，像素為 300x200)，我們覺得我們可以再用一個 MicroBlaze，把視頻流實時壓縮成一系列 JPEG 圖像。攝像頭捕獲的圖像是寬VGA(頻率為30Hz 時，像素為 720 x 480，)視頻流。很明顯，圖像降采樣工作應(yīng)該交給硬件來做。

　　我們設(shè)計了一個簡單的外設(shè)，通過交替去掉像素和行來進行降采樣操作，生成360 x 240的圖像。該外設(shè)還每 5 幀去掉 4 幀，以獲得所需的幀率。無需進行更復雜的處理就可以獲得視覺上可以接受的結(jié)果，因為JPEG 處理會讓走樣的人為效果不可見。我們使用系統(tǒng)生成器來開發(fā)該外設(shè)，因為它可以直接導出到 EDK，而且我們已經(jīng)有了使用系統(tǒng)生成器進行更加復雜的圖像處理的經(jīng)驗。

　　進入連接到 JPEG 處理器的 SDRAM 的數(shù)據(jù)由降采樣外設(shè)的總線負責控制，數(shù)據(jù)隨即被逐幀壓縮，送入循環(huán)緩沖區(qū)，直到Foot-LITE算法發(fā)出標志。JPEG處理器將壓縮后的視頻幀(也是通過 FSL)發(fā)送到主機 MicroBlaze。我們使用獨立 JPEG 小組提供的代碼庫，而且發(fā)現(xiàn)基本不需要優(yōu)化就可以工作在 5Hz 的條件下。

　　另外，通過隔離的處理器讓另一位軟件工程師(身處異地)在進行系統(tǒng)相同部分開發(fā)的時候，都可以并行不悖。

　　用藍牙連接到智能電話和車載診斷系統(tǒng)

　　簡便的安裝是這個項目的關(guān)鍵因素。減少系統(tǒng)使用的線纜數(shù)量也是需要考慮的重要方面。

　　我們選用藍牙做為連接到智能電話的接口。標準USB藍牙連接器的驅(qū)動程序是ucLinux內(nèi)核的標配，雖然我們不得不自己構(gòu)建用戶空間工具。以上這些工作跟其他代碼有著許多關(guān)聯(lián)性，而這些代碼也都是經(jīng)過Petlinux的工具包交叉編譯并添加到ucLinux的 文件系統(tǒng)中。

　　我們選定藍牙作為智能電話接口后，我們自然也選擇藍牙作為連接到板載診斷系統(tǒng)的接口。我們使用標準的現(xiàn)成藍牙-車載診斷系統(tǒng) (Bluetooth-OBD) 接口模塊，這樣從系統(tǒng)中省掉了又一個有線鏈接。

　　圖 3 — 顯示主要外部元件的FPGA框圖

　　簡便的調(diào)試

　　調(diào)試有多個并行執(zhí)行線程的系統(tǒng)往往難度較大。不過把系統(tǒng)劃分給多個處理器就可以使事情變得簡單。我們不需要多線程調(diào)試器(比如在Linux環(huán)境中調(diào)試多個處理器時所需要的)。賽靈思調(diào)試器 (XMD) 可以連接到多個處理器上，而且通過使用TCL(XMD能理解的工具命令行語言)，我們可以自動完成設(shè)置，并將待測的代碼下載到多個處理器上。當然，也可以使用采用 printf 聲明的常規(guī)嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法，因為每個處理器都有自己的串行端口。

　　在調(diào)試處理器間通信時具有重大價值的另一種工具是 ChipScope? Pro。該嵌入式邏輯分析器內(nèi)建在 FPGA 結(jié)構(gòu)中，讓我們可以捕獲通過FSL 鏈路的數(shù)據(jù)，把隱藏較深的缺陷的漏洞排查到發(fā)送方或者接收方，然后進行代碼的逐行排查。

　　使用四個處理器實現(xiàn)的隔離的意義在于，當某個元件被調(diào)試過后，基本上不需要再調(diào)試。這樣可以避免在把不同來源的代碼集成到大型獨立應(yīng)用中，或者在單個處理器上運行多個進程時，因奇奇怪怪的相互作用而產(chǎn)生的諸多問題。

　　FPGA 實現(xiàn)

　　這個項目基本不涉及 HDL，只用高級封裝程序把基于 EDK 的設(shè)計與一小段看門狗代碼整合在一起，確保系統(tǒng)在駕駛?cè)藛T熄火后關(guān)閉。 EDK生成了FPGA的主體部分(MHS 文件長度超過1,300 行!)，而系統(tǒng)生成器負責生成視頻降采樣器。我們對四個微控制器都配置使用了高速緩存和浮點單元。在使用四個處理器、四個 DDR 存儲接口以及一系列外設(shè)(包括以太網(wǎng)、SPI、IIC、CAN、UART、定時器和 GPIO)之后，器件約七成的查找表都被占用了(大約2.8萬個查找表)。與基于微控制器的 FPGA 的通常情況一樣，塊存儲器的使用率非常高，超過了 90%，或者119 個BRAM，但 DSP 模塊使用率相對較低：只有每個處理器的浮點單元需要它們(每個處理器 8 個，總計 32 個)。

　　整合主微處理器從內(nèi)部閃存引導 Linux 內(nèi)核，然后加載內(nèi)部文件系統(tǒng)。每個從處理器都有基于FSL的引導載入程序，可以接受標準的 S-record文件，對其進行解析并將其拷貝到本地存儲中，然后執(zhí)行。Linux 處理器把 S-record文件從文件系統(tǒng)中直接發(fā)送到 FSL 偽文件(使用內(nèi)置的 dd 實用程序)。如上文所述，所有的處理器間通信都通過完全連接的 FSL 鏈路網(wǎng)格完成。FSL 鏈路網(wǎng)格的帶寬為 32 位，運行頻率為60MHz，能夠提供大量的低時延通信帶寬。雖然避免使用共享存儲可能會帶來限制，但這樣做可以實現(xiàn)上文已經(jīng)探討過的隔離所帶來的優(yōu)勢。硬件架構(gòu)與應(yīng)用要求的劃分吻合良好，實現(xiàn)了直觀的軟件分區(qū)。

　　有需要時，F(xiàn)oot-LITE 算法微處理器會向 JPEG 壓縮器發(fā)出觸發(fā)信號，同時與智能電話顯示器通信。Linux 處理器在藍牙通信和系統(tǒng)其余部件之間充當媒介作用(如圖3 所示)。除了向駕駛?cè)藛T發(fā)出即時信號，它將有關(guān)車輛狀態(tài)的連續(xù)信息流以及偶發(fā)的視頻流通過智能電話上傳到中央服務(wù)器。

　　在旅途結(jié)束，駕駛?cè)藛T熄火時，主處理器會通知從處理器，隨即從處理器啟動各自的關(guān)閉流程(比如將更新的參數(shù)寫入非易失調(diào)節(jié)存儲器)，然后告知主處理器它們已經(jīng)可以安全地關(guān)閉了。此時，主處理器向電源發(fā)出信號，然后系統(tǒng)進入極低功耗睡眠模式，等待下一次發(fā)動。如果在熄火后兩分鐘軟件還沒有發(fā)出關(guān)閉信號(不過這種情況一般不太可能發(fā)生)，F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)中的硬件定時器會切斷電源，避免耗盡車輛的電池。

　　在項目收尾階段，來自由紐卡斯爾大學和南安普頓大學兩名學術(shù)界人士將分析在實際高速公路行駛狀態(tài)下車輛輸出數(shù)據(jù)，以評估該系統(tǒng)引導駕駛?cè)藛T行為的效能。

　　FPGA 的優(yōu)勢

　　FPGA 提供了高度的靈活性，與固定硬件平臺相比，能夠更輕松地滿足日新月異的項目需求。另一大優(yōu)勢是，F(xiàn)PGA 能夠集成到定制化硬件中，滿足密集型應(yīng)用(比如視頻)需求。在使用 Linux 的情況下，可以方便地對諸如以太網(wǎng)這樣的外設(shè)進行高級訪問，同時不會影響實時性能，這樣就可以把這些關(guān)鍵性的工作交給它們各自的微處理器來處理。最終，如果是由一個大型的、位于不同地理位置的團隊在開發(fā)該軟件，使用與功能劃分相匹配的硬件架構(gòu)有助于開發(fā)和集成工作。