基于FPGA的汽車ECU設計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準（三）

圖5顯示了一個采用賽靈思 Virtex?-4 FPGA 部署的 ECU 系統的示例，由一個靜態域和一個部分可重配置域構成。靜態域集成了一個MicroBlaze軟核處理器和一個基于 ICAP 的重配置控制器，部分可重配置域 （PRR） 則發揮著共享資源的作用，負責在不同時間換入和換出不同的功能任務或應用。

　　最后，如果將前述的構想發揮到極致，可以設計出一種通用汽車 ECU 平臺。這種平臺可以在生產線上進行配置并針對汽車中特定的 ECU 功能進行定制。這種構想在技術上借助可重配置硬件具有可行性，能夠簡化制造廠的物流要求，將存貨壓低到最低水平。這是因為從硬件的角度來看，在生產線上組裝的模塊對所有車輛都是一樣的，都采用單一平臺設計或產品架構（基于靈活的硬件）。只有可下載的位流會讓 ECU 的功能具有差異。

　　
圖5 在由部分可重配置域和靜態域構成的運行時可重配置 FPGA 中實現的汽車 ECU 應用的空間分區和臨時分區

　　高集成度ECU

　　在當今的汽車產業中，有約 90% 的創新來自汽車電子設備，而且這個勢頭方興未艾。未來汽車將采用非常先進的軟硬件技術，實現大量的新功能，比如自動駕駛、車輛間通信、娛樂以及和更高安全性。但是，對在這個以大批量制勝的產業而言，控制車載嵌入式系統的成本對汽車制造商極其重要。因此，當前的趨勢是在減少車輛中的 ECU 數量的同時讓每個 ECU 發揮強勁的功能。要實現這個目標需要功能更加強大的計算平臺。

　　許多行業參與方共同采用的方法是開發用作域控制器的高集成度 ECU。就是將多個單核處理器或微控制器布置在同一開發板上，共享總線連接和其他資源，旨在從整車的角度降低系統復雜性。這種趨勢讓我們聯想到可以將可重配置硬件用于 ECU 的設計，從而在有效提高計算并行性，降低 PCB 的復雜性的同時，實現最高性價比解決方案。

　　這種設計方法雖然在我們的工作中尚處于萌芽階段，卻為將 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準與運行時可重配置硬件融合用于軟/硬件聯合設計，實現完整的車載嵌入式 ECU 系統奠定了基礎。實際上，雖然目前 AUTOSAR 還沒有覆蓋到可重配置硬件，但我們不排除將來有這種可能。基于 SRAM 的運行時可重配置 FPGA 已用于航空航天應用，能夠滿足容易導致 SEU 的更為惡劣的環境條件的要求，況且汽車行業從歷史上看有借鑒航空航天行業率先開創的風氣的習慣。另外，在市場上已經存在某些合格的用于實現基于 FPGA 的安全相關系統的設計方法和工具，而且行業中涉及 FPGA 器件的標準也已經存在有相當長時間，比如用于規范航空電子業組件和系統設計的 DO-254 標準。

　　聯合設計帶來模式變革

　　因此，我們的工作將掀起汽車產業計算模式的變革。在特定的 ECU 應用場景中，純軟件的解決方案將被軟/硬件聯合設計和可重配置計算技術所取代。這是因為采用馮諾依曼型 MCU 的純軟件方法由于性能、復雜性和安全性方面的局限，已不敷使用。可編程邏輯技術的價格的不斷降低，加上汽車電子控制單元性能需求的不斷走高，將在不久的將來把這場變革變為現實。

　　兩大關鍵標準

　　汽車產業在設計車載電子設備時已將兩項關鍵標準奉為圭皋。其中一項標準是 AUTOSAR，它通過適當的軟硬件架構解決嵌入式系統復雜性問題。另一項標準是即將推出的 ISO 26262，用于管理功能安全性。AUTOSAR提出的以及 ISO 26262 采用的相關技術課題主要為安全問題的檢測和處理，比如運行時發生的硬件故障、時序失常和應用執行的邏輯順序打亂、數據損壞等。

　　AUTOSAR詳解

　　近年來，電子組件已經取代了車輛中的機械系統和液壓系統。隨著設計人員開始用軟件實現更多的控制、監控和診斷功能，這種趨勢正在持續。實際上，用電子技術能夠實現僅用機械和液壓解決方案無法開發者開發成本高的新功能。但這些部件必須滿足嚴格的安全要求，以避免出錯和故障。