剖析FPGA在汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用

汽車制造商收到了這樣的一張通知：投資多年所開發(fā)且原訂還將生產(chǎn)10年的微控制器產(chǎn)品即將停產(chǎn)(EOL)，而自己正使用著這款組件--沒有什么比這更糟糕的事了。然而，過去幾年來，由于半導(dǎo)體供貨商進(jìn)行產(chǎn)品整合與削減產(chǎn)品線，使得曾經(jīng)相當(dāng)普遍用于汽車系統(tǒng)中的好幾款微控制器和微處理器已經(jīng)停產(chǎn)。

在過去，受到這一沖擊的制造商們一般有兩種選擇：在停產(chǎn)前一次全部購齊，不然就重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品。一次購足的作法可能造成資金凍結(jié)的問題。至于重新設(shè)計(jì)，如果只是單純的調(diào)整線路板布局即可支持不同的組件還算簡單，但要選擇一款新的微控制器系列則需要花費(fèi)大量的軟件編寫與測試時(shí)間。

選擇不同的微控制器系列時(shí)，軟件的兼容性是主要的障礙。大多數(shù)公司在軟件的開發(fā)、測試和驗(yàn)證方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的投入。因此，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到一個新的架構(gòu)時(shí)，通常需要復(fù)雜且代價(jià)高昂的軟件移植。如果這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在產(chǎn)品生命周期的中期，那么為了確保硬件平臺之間不至于出現(xiàn)兼容性方面的問題，制造商們就必須格外小 心。

尋求第三種選擇方案

舉例而言，一家引擎控制系統(tǒng)制造商最近發(fā) 現(xiàn)自己面臨著組件停產(chǎn)窘?jīng)r。該制造商發(fā)現(xiàn)，如果將沿用了15年的原程序代碼移植到全新的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行全面的功能測試的話，那可能必須耗費(fèi)多位人力投入多年的時(shí)間。而且，由于先前的軟件團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了其他的計(jì)劃，因而也不得不聘用額外的人員來進(jìn)行這項(xiàng)工作。在針對這種架構(gòu)變化進(jìn)行時(shí)間與經(jīng)費(fèi)方面的評估之后，這 家制造商開始尋找能與其現(xiàn)有系統(tǒng)兼容的程序代碼解決方案。

“第三種選擇”的解決方案是采用一種以非揮發(fā)性為主的FPGA ，例如LatticeXP2 ，再加上與現(xiàn)有微控制器兼容的第三方知識財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)核心。萊迪思(Lattice)的合作伙伴Digital Core Design(DCD)擁有一款與該制造商要求非常相近的微控制器核心。因此，DCD提議修改現(xiàn)有的核心，使其與停產(chǎn)組件的外圍設(shè)置可相互搭配。

該制造商堅(jiān)持要求新的解決方案必須與原系統(tǒng)的作業(yè)情況完全一致。包括外部與內(nèi)部的時(shí)序、處理器的功能，甚至相同的二進(jìn)制程序代碼都無需修改即可執(zhí)行;這種兼容性的要求甚至還包括內(nèi)建于原處理器程序代碼中的所有軟件時(shí)序循環(huán)。而在硬件方面，這個解決方案必須與原微控制器具備相同的電路板面積與接腳，并能連接到相同 的接口。此外，還必須具有防止未經(jīng)授權(quán)修改配置的高安全性要求。

系統(tǒng)解決方案

非揮發(fā)性的LatticeXP2 FPGA結(jié)合了SRAM和閃存技術(shù)，并使其整合在同一顆芯片上。上電時(shí)， FPGA的配置以平行的方式從Flash復(fù)制到SRAM，因而初始化該組件，并可在不到2毫秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入正常運(yùn)作狀態(tài) 。

快速啟動的功能使非揮發(fā)FPGA輕而易舉地取代了ASSP微控制器，因?yàn)閼?yīng)用程序不必等待從外部內(nèi)存加載FPGA配置的過程?；陂W存的FPGA邏 輯內(nèi)部還具備一些安全特性，以防止未經(jīng)授權(quán)的讀取或修改內(nèi)部存儲器配置。這也確保不至于發(fā)生任何未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制或篡改內(nèi)部閃存配置的情況。

等到確定可替代的硬件后，最后一步就是讓軟件功能與原有的微控制器相匹配。DCD從該公司大量的數(shù)據(jù)庫中選擇現(xiàn)有且經(jīng)測試與驗(yàn)證過的外圍設(shè)備核心，從而實(shí)現(xiàn)大部份的需求。然而，由于也用了一些少數(shù)的新外圍設(shè)備，因而必須特別小心處理，才能符合原有微控制器的要求。

由于數(shù)字FPGA不具有模擬轉(zhuǎn)換器，因此設(shè)計(jì)者所面臨的最大挑戰(zhàn)就在于原有的微控制器擁有著8個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器信道。為了因應(yīng)這一挑戰(zhàn)，DCD編寫了一款 IP，采用相同的軟件接口(控制與數(shù)據(jù)緩存器)連接至內(nèi)部總線，而且可與各種外部序列和平行的ADC相連接。然后，只須再選擇一款與原微控制器具有相同轉(zhuǎn)換時(shí)序與精密度的ADC即可。

該制造商最后使用的解決方案是一個新的控制器單元 ，其中搭載了LatticeXP2 FPGA、ADC組件和頻率產(chǎn)生器。PLCC可與制造商的PCD直接連接，并以接腳對接腳的方式直接取代了原有的微控制器。由于該芯片內(nèi)含開機(jī)內(nèi)存，因而減少了電路板上的組件數(shù)，以實(shí)現(xiàn)一款較小型的最終解決方案。

結(jié)論

產(chǎn)品汰舊換新的情況在汽車制造領(lǐng)域還將持續(xù)發(fā)生，但是目前已經(jīng)有了使用FPGA加上微控制器IP的替代方案。具有快速啟動特性的LatticeXP2 FPGA為汽車制造業(yè)提供了一種安全、小尺寸，并且滿足更長生命周期需求的解決方案。這種微控制器IP架構(gòu)是一種快速且具有成本效益的方法，不但可取代現(xiàn)有的微控制器，同時(shí)也能又保持與原系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全相同的軟件兼容性。一款接腳兼容的解決方案使制造商能夠更專注于驗(yàn)證FPGA內(nèi)部的IP核心，而不必再對硬件和軟件進(jìn)行全面的重新設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。