汽車(chē)娛樂(lè)電子推動(dòng)了功能和容量的快速發(fā)展,促使設(shè)計(jì)人員在性能、成本和靈活性上做出綜合考慮。與其他汽車(chē)電子領(lǐng)域不同,多媒體圖形應(yīng)用高度可視化,其需求多變,在許多情況下甚至還沒(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)。汽車(chē)設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案�？删幊踢壿�,特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）便是這樣的解決方案。
在以前,專(zhuān)用集成電路（ASIC）能夠?yàn)橹圃焐烫峁┏杀拘б孑^好的芯片方案,因此,汽車(chē)圖形應(yīng)用在半導(dǎo)體方面一般選用ASIC。但是,ASIC開(kāi)發(fā)成本不斷攀升,降低批量?jī)r(jià)格、快速面市的要求以及功能復(fù)雜性的提高可能會(huì)預(yù)示著汽車(chē)市場(chǎng)中ASIC統(tǒng)治時(shí)代的結(jié)束。頂級(jí)汽車(chē)供應(yīng)商正在尋找一種最具成本效益的設(shè)計(jì)平臺(tái),其強(qiáng)大的功能和靈活性能夠滿(mǎn)足越來(lái)越復(fù)雜的汽車(chē)數(shù)字系統(tǒng)的需求。
專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）在汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)上是ASIC的一種替代方案。這類(lèi)產(chǎn)品的主要優(yōu)勢(shì)在于低成本。但是,ASSP具有隱含的成本,如尋找各種功能都合適的ASSP,而不必添加外部邏輯、軟件以及其他ASIC或者ASSP。而且,隨著需求的不斷變化,在設(shè)計(jì)早期可能不需要ASSP,設(shè)計(jì)一旦投產(chǎn)之后,便不再采用ASSP。
FPGA能夠顯著縮短工程開(kāi)發(fā)時(shí)間,降低多芯片重復(fù)使用成本,成為汽車(chē)圖形應(yīng)用中替代ASIC和ASSP的功能強(qiáng)大而又靈活的解決方案。ASSP可能會(huì)丟失所需功能,ASIC則有隨著設(shè)計(jì)修改而必須重制的風(fēng)險(xiǎn),而FPGA在設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以進(jìn)行編程,并根據(jù)需要重新編程,實(shí)現(xiàn)更快速的原型設(shè)計(jì),加快產(chǎn)品面市。如果需求變化,即使是器件已經(jīng)在車(chē)輛中投入使用了,FPGA也可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更新。FPGA不存在預(yù)先的ASIC流片（NRE）成本以及最小訂購(gòu)量問(wèn)題,也不存在A(yíng)SSP相關(guān)的潛在成本問(wèn)題,它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最具成本效益的選擇。而且,FPGA在通用硬件平臺(tái)上能夠重復(fù)使用的能力顯得非常重要,使設(shè)計(jì)人員能夠生成不同的系統(tǒng),憑借一個(gè)基本設(shè)計(jì)便可以支持多種功能,從而降低制造成本。
FPGA參考設(shè)計(jì)推動(dòng)汽車(chē)圖形技術(shù)
信息娛樂(lè)應(yīng)用要求越來(lái)越復(fù)雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和DSP中實(shí)現(xiàn),但代價(jià)是極高的成本、復(fù)雜度和功耗�？梢栽谙到y(tǒng)中加入FPGA來(lái)降低圖形系統(tǒng)的總成本、復(fù)雜度,以及性能需求。圖1所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形參考設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)承載視頻輸入,覆蓋LCD屏幕上顯示的其他圖像。
該參考設(shè)計(jì)在A(yíng)lteraCycloneFPGA中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻輸入模塊和LCD圖形控制器,展示了汽車(chē)市場(chǎng)需要的低成本應(yīng)用中,FPGA所具有的強(qiáng)大功能和靈活性。參考設(shè)計(jì)運(yùn)行在A(yíng)lteraNiosII嵌入式處理器開(kāi)發(fā)板上,并加入了用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)/視頻輸入、輸出顯示驅(qū)動(dòng)電路的模塊。
視頻輸入模塊包括一個(gè)前端相機(jī)接口和用于色彩空間轉(zhuǎn)換、調(diào)整和縮放的IP,以及視頻存儲(chǔ)器接口。LCD顯示接口包括控制不同層之間以及圖象之間半透明效果的IP功能。這些輸入和輸出控制模塊是AlteraSOPCBuilder系統(tǒng)的組成部分,該系統(tǒng)用于將所有IP模塊進(jìn)行無(wú)縫連接。OpenGL-E圖形庫(kù)子集運(yùn)行在主機(jī)CPU中。該庫(kù)提供處理和表征位圖、幀緩沖訪(fǎng)問(wèn)和圖形基元繪圖的所有功能。
由于進(jìn)行透視操作、旋轉(zhuǎn)、繪制直線(xiàn)和多邊形、紋理操作以及相似的任務(wù)時(shí),這些擴(kuò)展圖形應(yīng)用會(huì)占用大量的計(jì)算,因此,可能會(huì)需要一個(gè)功能非常強(qiáng)大的主機(jī)CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)OpenGL圖形庫(kù)。FPGA可做為一個(gè)協(xié)處理器架構(gòu),卸載主機(jī)CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。
圖2顯示了在參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實(shí)例。該協(xié)處理器可承載多種算法,如：
●直接blit、拉伸blit、透明、雙線(xiàn)性濾波、每象素alpha、著色、抗鋸齒處理等位塊圖像傳送（BLIT）操作
●任意寬度直線(xiàn)繪制、圓角、截角、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●三角形、四邊形等多邊形繪制、alpha梯度、圖像邊緣模糊（模糊化）
●圓、橢圓和二次曲線(xiàn)截面繪制
●生成二次和三次Bézier曲線(xiàn)
加入?yún)f(xié)處理器后,對(duì)主機(jī)CPU的CPU要求會(huì)顯著降低。當(dāng)然會(huì)使用更多的FPGA資源,但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以自由選擇在硬件中采用何種算法,具體在軟件中采用哪種以?xún)?yōu)化大部分關(guān)鍵系統(tǒng)要求（速度、功耗、成本等）。
我們可以進(jìn)一步延伸該卸載范例,采用FPGA中實(shí)現(xiàn)的處理器將其他處理任務(wù)放在FPGA中。這樣還具有減少系統(tǒng)元件和外部主機(jī)CPU的優(yōu)點(diǎn)。圖3顯示了如何在FPGA中采用NiosII處理器實(shí)現(xiàn)其余軟件控制任務(wù)（如抗鋸齒處理和OpenGL兼容等）的圖形參考設(shè)計(jì)。
平臺(tái)概念——多種小變化
通過(guò)在汽車(chē)圖形系統(tǒng)中采用FPGA,相同的平臺(tái)可用于解決不同的市場(chǎng)需求。圖4顯示了怎樣以單個(gè)通用平臺(tái)開(kāi)始,進(jìn)行多種變化來(lái)滿(mǎn)足不同的市場(chǎng)需求,而不必重制ASIC或者建立并調(diào)試新的電路板。
本文闡述的多種汽車(chē)參考設(shè)計(jì)說(shuō)明了這種概念是如何工作的。根據(jù)市場(chǎng)需求,采用單個(gè)工作參考平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)多種圖形控制器模塊衍生。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)IP和參考設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒕Γê突ㄙM(fèi)）集中在如何使產(chǎn)品領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,滿(mǎn)足客戶(hù)的要求,而不必耗費(fèi)在基本編程上。而且,使用FPGA并不排除以后采用ASIC。由于所有的基本IP在未來(lái)器件系列中可以重復(fù)使用,因此FPGA中實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)可以移植到AlteraHardCopy器件等結(jié)構(gòu)化ASIC或者完全定制的ASIC中。
結(jié)論
在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)、乘客車(chē)廂內(nèi)以及外部診斷系統(tǒng)中,FPGA為成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活的低風(fēng)險(xiǎn)途徑——降低了制造的復(fù)雜性,實(shí)現(xiàn)了最佳成本效益。FPGA可用作簡(jiǎn)單膠合邏輯以及不同組件間的接口橋接——有助于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)組件、微處理器和系統(tǒng)總線(xiàn)間的通信。FPGA還可以擴(kuò)展特性,集成內(nèi)核系統(tǒng)功能以替代ASSP和ASIC。
當(dāng)考慮到不斷增加的復(fù)雜度和及時(shí)面市的壓力時(shí),盡管汽車(chē)應(yīng)用需要合適的ASIC以實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)品,但是FPGA仍舊能夠滿(mǎn)足甚至超越總工程成本目標(biāo)。FPGA中實(shí)現(xiàn)的低成本結(jié)構(gòu)和豐富的器件資源組合使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)檫@種批量產(chǎn)品應(yīng)用提供全面而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。而且,由于FPGA所具有的靈活性,不必對(duì)整體平臺(tái)進(jìn)行昂貴的重新設(shè)計(jì),便可以迅速改進(jìn)這些設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足多變的市場(chǎng)需求并細(xì)化產(chǎn)品。
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