基于FPGA的汽車ECU設計

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硬件和軟件上實現ECU的優勢后，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勢。

事實上，其中的一大優勢是如果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域，可以縮短系統啟動時間。不支持動態部分可重配置的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，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域和一個或者多個部分可重配置域（PRR）。靜態域涵蓋負責執行啟動過程的系統（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域部分成比例降低。在使用汽車電池供電的ECU中，節能模式尤為重要。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的部分區域，減少邏輯活動，從而降低動態功耗。

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。可以對由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。

這種設計思路還可用于實現特定算法在不斷變化的環境條件或者外部條件中的自適應性。例如，給定的引擎控制算法可通過部分可重配置自主調整部分硬件模塊，以在任何運行溫度下或電池電壓下實現理想的運行。同樣的理念對通信系統也適用，比如可以設計某種加密控制器，能夠在運行中運用特定的參數函數制定專門的安全等級。另如，可以設計某種ECC加密器/解密器IP，用于在高噪聲通信信道中檢測和修改數據傳輸錯誤，能夠根據感應到的信噪比動態適應其硬件架構。

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。

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

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。

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。

雖然軟件相關的故障目前來看比較罕見，但隨著軟件在汽車這種工業制品中用量的不斷增加，系統變得日趨復雜，加上產品開發周期的縮短，最終可能導致產品故障。為解決這個問題，汽車產業通過結盟和實施標準，確保使用和開發安全可靠的軟件。