FPGA平臺架構(gòu)提升信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計靈活性

開發(fā)車載信息娛樂系統(tǒng)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。事實上，支持眾多不一致甚至矛盾的要求需要采用全新的思路。設(shè)計基于FPGA的平臺就是一種可行的解決方案，可通過設(shè)計靈活性來滿足多樣化的汽車要求。

　　對于那些想要達到新的期望值的OEM來說，問題在于改變整個供應(yīng)鏈的基本行為，包括從如何建立信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)到為這些系統(tǒng)提供的產(chǎn)品和服務(wù)。

　　這種壓力又傳遞給了一級發(fā)動機控制單元(ECU)供應(yīng)商，因為他們所服務(wù)的OEM堅持要迎合來自消費市場的產(chǎn)品要求，諸如要能夠靈活地適應(yīng)市場變化、降低成本以及不斷縮短設(shè)計周期。在汽車市場中，這種變化的幅度是空前的，并且正在形成猛烈的風(fēng)暴襲擊一級供應(yīng)商。一級供應(yīng)商如果想在這一領(lǐng)域取得成功，就必須適應(yīng)這種變化。

　　解決這個問題的一個途徑是開發(fā)一種強大的、關(guān)注靈活性、可擴展性和可適應(yīng)性的平臺方案，這說起來容易做起來難。我們需要考慮這種靈活平臺的兩個方面：其一，最終產(chǎn)品本身的靈活性，以適應(yīng)OEM用戶對現(xiàn)場可升級的要求;其二，基礎(chǔ)平臺的可適應(yīng)性，以便服務(wù)于大范圍的、需求各異的OEM客戶。

　　例如，OEM 1也許不關(guān)心所使用的底層硬件，只要硬件能夠滿足一系列功能要求即可;而OEM 2可能強制要求或至少強烈建議使用特定的芯片組。第2種情況是平臺方案最難對付的，因為它有可能完全否定硬件，而且一級制造商的平臺所選擇的軟件也可能不同。

　　問題是：我們需要全盤否定硬件平臺嗎?抑或能復(fù)用硬件平臺元件?

　　構(gòu)建平臺架構(gòu)

　　建立硬件平臺架構(gòu)一般有三個基本步驟。首先是選擇最關(guān)鍵的組件，然后是圍繞內(nèi)部核心元件搭建外部“層“。一般來說，形成最終配置是一個反復(fù)實踐的過程。

　　第一步是選擇核心芯片組，主要考慮因素是成本、特性和性能，雖然設(shè)計人員在這個階段也需要考慮其它重要因素，如硬件/軟件復(fù)用以及公司戰(zhàn)略或OEM要求。

　　在沒有建立起所有層的架構(gòu)以反映系統(tǒng)真實成本之前，通常不可能最終確定芯片組的選型。而外層所涉及的成本很多時候相當于甚至超過核心芯片組的成本。

　　第二步是解決所有遺漏的特性和功能。對硬件設(shè)計人員來說，一個理想的情況是，有現(xiàn)成的系統(tǒng)級芯片或芯片組包含了需要的所有特性和功能，并且價格合理，能夠滿足不同客戶的需求。

　　不過，即使上述情形是可能的，但公司將如何實現(xiàn)有別于其它一級電子產(chǎn)品制造商的功能呢?也許更重要的是，公司將如何規(guī)劃未知/潛在的特性?

　　這就引發(fā)了一個看似矛盾的問題——外圍電路是可以提供產(chǎn)品差異化的最好機會，并能滿足可擴展性和可復(fù)用性;但人們又在盡量避免它，因為外圍電路的設(shè)計和選擇是一個反復(fù)的過程，類似于一個非常復(fù)雜的拼圖過程。

　　圍繞核心芯片組的外圍器件所執(zhí)行的功能非常廣泛，包括連接性(補充主芯片組遺漏的接口)、協(xié)處理/加速(從主芯片組卸載處理任務(wù))和接口轉(zhuǎn)換(彌補主芯片組上不合適的接口)。

　　設(shè)計人員試圖尋找能夠滿足特定功能并且價格可接受的合適器件，但他們經(jīng)常到處碰壁，因為解決架構(gòu)中某個部分的問題會導(dǎo)致另一個部分出現(xiàn)問題。即使確定了可接受的器件，也還會遇到汽車認證或長期可用性方面的問題。

　　尤其是對于信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計人員必須綜合考慮到很多方面，比如音視頻的源端和接收端、有線和無線、顯示器、消費者端口連接和存儲，以及后端汽車網(wǎng)絡(luò)等。

　　上述內(nèi)容涉及到汽車頭部單元中的各種子系統(tǒng)，而這些頭部單元正是信息娛樂系統(tǒng)的中心硬件組件。

　　今天，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計所要求的全部接口數(shù)量——尚不包括服務(wù)于每個接口所需的性能——正在呈爆炸式增長，因此對核心芯片組的特性和性能也提出更高要求。

　　FPGA解決方案

　　目前已經(jīng)有數(shù)代信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)平臺使用了FPGA器件，這些FPGA擔(dān)負著主處理器或芯片組的支撐(或補充)作用。在這種角色中，F(xiàn)PGA一般被稱為配套芯片。有經(jīng)驗的用戶已經(jīng)認識到，F(xiàn)PGA不僅可以用來彌補架構(gòu)中的漏洞，而且還能更多地被用作核心元件，為基礎(chǔ)架構(gòu)增加更多的靈活性和可擴展性。

　　這樣做通常要求在架構(gòu)定義的早期階段就要引入FPGA，并將FPGA歸類為核心芯片組中的一個元件。這樣，設(shè)計人員就能在內(nèi)存子系統(tǒng)、系統(tǒng)啟動時序、通用系統(tǒng)性能和平臺總體成本等方面獲得各種系統(tǒng)級的益處。

　　一些芯片組具有內(nèi)置擴展能力，例如帶有PCIe或其它專用串行/并行接口的芯片組。有些芯片組沒有專門的內(nèi)置擴展功能，設(shè)計人員不得不使用替代性接口，如USB或SD端口。這意味著FPGA必須能夠通過其中一種解決方案支持一種接口，但代價是創(chuàng)建接口需要一定的時間和知識儲備。

　　賽靈思聯(lián)盟合作伙伴Xylon公司已經(jīng)開發(fā)出一種知識產(chǎn)權(quán)(IP)基礎(chǔ)包，可以實現(xiàn)連接不同接口所要求的“管道”，從而有效解決數(shù)據(jù)出入主系統(tǒng)的問題。由于無需了解一個特定主機接口的規(guī)范，因而設(shè)計人員可以從容地專注于設(shè)計的應(yīng)用方面。

　　既然快速改變主機接口是可能的，那什么時候適合做出改變呢?在許多情形下，調(diào)整平臺是有用的方法。將基礎(chǔ)平臺從低端產(chǎn)品調(diào)整到高端產(chǎn)品也許就是一個很好的例子。后者可能有要求高帶寬的應(yīng)用接口——例如視頻輸入——因此PCIe是必要的。

　　在同一系列的低端產(chǎn)品中，也許不要求視頻輸入，此時帶寬需求將顯著下降。這時最具成本效益的架構(gòu)是使用對主機接口要求較低的應(yīng)用接口，例如USB或SD。

　　FPGA的靈活性和可擴展性是與生俱來的。在本例中，F(xiàn)PGA本身可以調(diào)整到采用相同封裝或不同封裝的更小器件。

　　 由Xylon公司開發(fā)的配套芯片接口庫(CCI)提供了非?？焖俚拇罱?ldquo;真實”接口的方法，避免了對性能指標的猜測，而在實際系統(tǒng)中性能指標是高度可變的。該公司的信息娛樂配套芯片開發(fā)平臺提供了簡化設(shè)計過程的必要硬件和軟件，不僅具有靈活性和可擴展性的優(yōu)勢，而且縮短了開發(fā)時間。

　　圖：硬件平臺架構(gòu)流程。