基于FPGA的汽車ECU設計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準（四）

　　可編程邏輯的靈活性及其對功能安全的適用性還帶來另一項設計優(yōu)勢，就是可以采用三模冗

　　余 （TMR） 策略。這是航空航天應用中用于緩解單粒子翻轉 （SEU） 風險的常見方法。這種緩解方案由三個相同邏輯電路構成，并行執(zhí)行相同的任務，對應的輸出由一個多數表決電路進行比較。采用硬件實現這種策略效率很高。

　　另外，在這個高度關注成本和功耗的市場上，賽靈思 Zynq-7000 EPP等一些可編程邏輯器件能夠支持多項降低系統總體功耗的功能，其中的部分功能是從 MCU 繼承而來。像處理系統的僅加電模式、休眠模式和外設獨立時鐘域這樣的功能能夠大幅降低器件待機期間的動態(tài)功耗。

　　某些可編程邏輯器件在結構中配備有硬核處理器，便于設計人員第一步先用軟件開發(fā)整個系統功能，就像他們尋常在 MCU 平臺上所做的一樣，隨后逐步地在設計中增加硬件，將部分設計移植到可編程邏輯資源。這種方法能夠讓設計人員為解決方案開發(fā)出不同的版本，而且與純軟件方法相比，能夠實現在定制硬件中綜合部分功能的優(yōu)勢。

　　在運行時可重配置硬件上進行 ECU 設計

　　在探討完畢借助可編程邏輯在靜態(tài)硬件和軟件上實現 ECU 的優(yōu)勢后，我們接下來探討采用基于 SRAM 并具備運行時部分可重配置功能的 FPGA 設計 ECU。部分可重配置技術能夠為汽車設計人員提供更多優(yōu)勢。

　　事實上，其中的一大優(yōu)勢是如果 FPGA 包含有不必在啟動時（如在 ECU 喚醒或加電）配置的部分可重配置區(qū)域，可以縮短系統啟動時間。不支持動態(tài)部分可重配置的 FPGA在加電時需要配置所有的 FPGA 資源，但運行時可重配置 FPGA 只需下載部分位流進行部分重配置。

　　由于當今先進的 FPGA 器件具有巨大的容量，故在加電時下載完整的位流會引起可觀的配置時間開銷。運行時部分可重配置技術能夠顯著地縮短這種配置時延。在那種情況下，有可能在加電時只配置一個最起碼的子系統（即引導載入程序和立即需要的部分系統應用），讓系統其余部分保持待機狀態(tài)，直到有必要初始化為止。如果系統在加電或喚醒時需要快速響應，可將這種啟動工作劃分為兩個階段，以加快初始化過程。為此，可將系統架構分解為一個靜態(tài)域和一個或者多個部分可重配置域 （PRR）。靜態(tài)域涵蓋負責執(zhí)行啟動過程的系統（一般來說是主機 CPU），以及可重配置引擎和通往位流庫的數據鏈路。由特定部分位流描述的其他域可按應用需求，隨后下載。

　　另外，如果禁用 PRR 域，則可以讓器件的功耗與禁用區(qū)域部分成比例降低。在使用汽車電池供電的 ECU 中，節(jié)能模式尤為重要。為此，在車輛未使用時（即處于休眠模式時），車載 ECU 可使用低功耗模式，以讓 ECU 功耗保持最低。同樣，可以在不需要的時候使用空白位流禁用 FPGA 的部分區(qū)域，減少邏輯活動，從而降低動態(tài)功耗。

　　在采用運行時可重配置邏輯的系統中，汽車設計人員還可使用一種從航空航天應用中借鑒來的重配置技術。重配置（configuration scrubbing） 可以將系統從因單粒子翻轉 （SEU）和電磁干擾造成的 SRAM 故障中恢復過來。定期重新配置硬件外設可保證系統在出現故障時自我修復。另外，這樣也可以將故障的最大時長限制在重配置時間間隔內。這種技術也通常運用在軟件中，作為一種常見的抗干擾保護措施，例如 MCU 外設的定期重配置。

　　另一項運行時部分重配置技術的靈活性帶來的有前景的功能是在 FPGA 資源的某個特定二維位置出現永久性或不可修復的電路故障，比如影響到特定邏輯單元或 RAM 模塊時，可通過功能重定位實現故障修復。一旦發(fā)現有硬件或軟件故障出現，可以在運行中將所需的功能自動重定位到同一 ECU 中的可編程邏輯器件的其他部分。雖然這個構思是可行的，但這項功能還沒有得到當今的自動化工具的完全支持。

　　適用于汽車產業(yè)的運行時可重配置計算技術最強大的特性無疑是共享的硬件資源上功能的實時時分復用?？梢詫τ?ECU 中的相同計算資源處理的功能性應用進行時間共享，如果應用間相互獨立（例如，當車輛向前直行駛時使用行車道偏離預警功能，倒車時，則切換到后視攝像頭視圖或停車輔助應用）。這種設計思路可以幫助降低此類嵌入式系統的成本和復雜性，釋放空間，減輕車身重量。