利用FPGA平臺(tái)架構(gòu)提升信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性
2011-08-04
作者：Rodney Stewart 汽車系統(tǒng)架構(gòu)師
來源：賽靈思公司信息娛樂與駕駛信息部門
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(shí)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(jì)基于FPGA的平臺(tái)就是一種可行的解決方案，可通過設(shè)計(jì)靈活性來滿足多樣化的汽車要求。
消費(fèi)者開始希望能像在家中或使用移動(dòng)設(shè)備一樣使用汽車中的多媒體信息——包括個(gè)性化他們體驗(yàn)的能力。因此最近幾代汽車中的信息娛樂系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，并以10年前無法想像的方式改變著汽車市場。
汽車制造商非常歡迎這種變化，因?yàn)樗峁┝水a(chǎn)品差異化的途徑，但這也給他們帶來更大挑戰(zhàn)：必須緊跟快速變化的消費(fèi)產(chǎn)品周期。那些一級(jí)制造商正在逐漸采用靈活、可配置的FPGA器件來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，滿足不同設(shè)計(jì)要求。
對(duì)于那些想要達(dá)到新的期望值的OEM來說，問題在于改變整個(gè)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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)供應(yīng)商，因?yàn)樗麄兯?wù)的OEM堅(jiān)持要迎合來自消費(fèi)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(jì)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(jí)供應(yīng)商。一級(jí)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(gè)問題的一個(gè)途徑是開發(fā)一種強(qiáng)大的、關(guān)注靈活性、可擴(kuò)展性和可適應(yīng)性的平臺(tái)方案，這說起來容易做起來難。我們需要考慮這種靈活平臺(tái)的兩個(gè)方面：其一，最終產(chǎn)品本身的靈活性，以適應(yīng)OEM用戶對(duì)現(xiàn)場可升級(jí)的要求；其二，基礎(chǔ)平臺(tái)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(qiáng)制要求或至少強(qiáng)烈建議使用特定的芯片組。第2種情況是平臺(tái)方案最難對(duì)付的，因?yàn)樗锌赡芡耆穸ㄓ布乙患?jí)制造商的平臺(tái)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(tái)嗎？抑或能復(fù)用硬件平臺(tái)元件？
構(gòu)建平臺(tái)架構(gòu)
建立硬件平臺(tái)架構(gòu)一般有三個(gè)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(gè)反復(fù)實(shí)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(jì)人員在這個(gè)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(shí)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(shí)候相當(dāng)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(duì)硬件設(shè)計(jì)人員來說，一個(gè)理想的情況是，有現(xiàn)成的系統(tǒng)級(jí)芯片或芯片組包含了需要的所有特性和功能，并且價(jià)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(shí)現(xiàn)有別于其它一級(jí)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(gè)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(jī)會(huì)，并能滿足可擴(kuò)展性和可復(fù)用性；但人們又在盡量避免它，因?yàn)橥鈬娐返脑O(shè)計(jì)和選擇是一個(gè)反復(fù)的過程，類似于一個(gè)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(bǔ)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(bǔ)主芯片組上不合適的接口)。
設(shè)計(jì)人員試圖尋找能夠滿足特定功能并且價(jià)格可接受的合適器件，但他們經(jīng)常到處碰壁，因?yàn)榻鉀Q架構(gòu)中某個(gè)部分的問題會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)部分出現(xiàn)問題。即使確定了可接受的器件，也還會(huì)遇到汽車認(rèn)證或長期可用性方面的問題。
尤其是對(duì)于信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)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(fèi)者端口連接和存儲(chǔ)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的全部接口數(shù)量——尚不包括服務(wù)于每個(gè)接口所需的性能——正在呈爆炸式增長，因此對(duì)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(tái)使用了FPGA器件，這些FPGA擔(dān)負(fù)著主處理器或芯片組的支撐(或補(bǔ)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(yàn)的用戶已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，F(xiàn)PGA不僅可以用來彌補(bǔ)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(kuò)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(gè)元件。這樣，設(shè)計(jì)人員就能在內(nèi)存子系統(tǒng)、系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)序、通用系統(tǒng)性能和平臺(tái)總體成本等方面獲得各種系統(tǒng)級(jí)的益處。
一些芯片組具有內(nèi)置擴(kuò)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(kuò)展功能，設(shè)計(jì)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(jià)是創(chuàng)建接口需要一定的時(shí)間和知識(shí)儲(chǔ)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(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)基礎(chǔ)包，可以實(shí)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(gè)特定主機(jī)接口的規(guī)范，因而設(shè)計(jì)人員可以從容地專注于設(shè)計(jì)的應(yīng)用方面。
既然快速改變主機(jī)接口是可能的，那什么時(shí)候適合做出改變呢？在許多情形下，調(diào)整平臺(tái)是有用的方法。將基礎(chǔ)平臺(tái)從低端產(chǎn)品調(diào)整到高端產(chǎn)品也許就是一個(gè)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(shí)帶寬需求將顯著下降。這時(shí)最具成本效益的架構(gòu)是使用對(duì)主機(jī)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(kuò)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)提供了非常快速的搭建“真實(shí)”接口的方法，避免了對(duì)性能指標(biāo)的猜測，而在實(shí)際系統(tǒng)中性能指標(biāo)是高度可變的。該公司的信息娛樂配套芯片開發(fā)平臺(tái)提供了簡化設(shè)計(jì)過程的必要硬件和軟件，不僅具有靈活性和可擴(kuò)展性的優(yōu)勢，而且縮短了開發(fā)時(shí)間。
圖：硬件平臺(tái)架構(gòu)流程。
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