采用FPGA協處理器優化汽車信息娛樂和信息通信系統(04-100)

　　集成了數據通信，定位服務和視頻娛樂的高端汽車信息娛樂系統需要高性能的可編程處理技術，其最佳實現方法是在主流汽車信息通信系統構架中集成FPGA協處理器。本文講述汽車娛樂系統的需求，討論主流系統構架，以及FPGA協處理器是如何集成到軟硬件體系中，以滿足高性能處理、靈活性和降低成本的要求。

　　娛樂電子消費已經成為區分豪華轎車的標志之一，推動了汽車性能的快速發展，設計者必須在性能，成本和靈活性上進行綜合考慮。高端應用包括衛星電話，后座娛樂，導航，各種音頻回放，語音合成、識別以及其他新的應用。

　　帶動汽車娛樂系統發展的核心技術同先前的汽車應用有顯著的不同。不同于其他領域的汽車電子消費，這些娛樂應用要高度的可視化，并且需求變化很快。此外，過時的娛樂系統將是新車賣不動的主要原因，也是汽車轉售和租賃的主要障礙。

　　傳統的汽車電子消費主要滿足一般標準，例如長的換代周期，低成本和長期的溫度要求。這些要求也是汽車娛樂系統所需的。在汽車設計上，設計者面臨長換代周期中經歷系統性能快速發展的挑戰，而不再是長換代周期中的小改進。新的需求使得系統結構必須具有靈活性和很好的性能表現，而這在基于專用標準產品(ASSP)的傳統應用系統結構架中是無法實現的。

　　現在的基本車內娛樂系統要求能夠支持具有圖形人性界面的平面顯示系統，能夠顯示動態地圖和汽車信息。這種系統圍繞高度標準化的微處理器實現，周圍是各種標準接口和支持低端圖形處理的簡單硬件加速設備。它雖然以非常低的成本滿足了中等汽車娛樂系統的市場需求，但是可以擴展到頂級豪華轎車的高端應用上。頂級應用包括視頻圖像和通信。各種支持這些應用的標準(視頻：MPEG2，MPEG4，H.264；通信：GSM/EDGE，WCDMA，1xEVDO，衛星電話，衛星電視，數字視頻廣播和WiFi)均基于多種信號處理算法。這些算法要求非常高的可編程處理能力。現在有三種半導體技術可以實現這些非常復雜的算法。

　　這三種技術是可編程數字信號處理器(DSP)，專用標準產品(ASSP)和現場可編程門陣列(FPGA)。DSP為信號處理應用提供了性能很高的可編程處理器。DSP處理器非常靈活，功耗低，成本效能高，但是缺乏硬件加速能力，無法為現在的尖端圖像處理和無線通信算法提供所需的計算功能。ASSP通常含有DSP處理器，為單個視頻或通信標準提供較好的解決方案，但是不能通過編程來實現不同的標準要求。而FPGA同時具有很高的信號處理能力和可編程能力，能夠滿足很多標準和應用場合的要求。與其他兩種技術不同，高性能、靈活的FPGA技術可以實現各種可能的算法。

　　前面所講的信息通信系統需要額外的處理芯片以滿足高端應用。這些芯片一般是在存儲器或視頻處理總線上集成了處理器的ASIC和ASSP，成為專用協處理器。FPGA應用上的強大之處在于對這種專用硬件的替代。FPGA和處理器配合使用，一般稱為FPGA協處理器。以這種方式使用FPGA可以使新的專用加速器按需求下載到FPGA里，應用于任何高性能場合中。在高級軍事多標準無線電中，這種概念被廣泛采用，稱為軟件無線電(SDR)。SDR系統中，一個簡單的無線單元以“一鍵式”方式自動適應不同的無線標準，可以應用于面向未來的裝備中。這種方式還減少了處理器的數量，這些處理器在系統執行不同任務時，往往處于空閑的狀態。軟件無線電技術可以應用于汽車市場的通信和視頻領域。

　　FPGA在視頻處理和無線連接上的靈活性同樣可以降低成本，提高系統價值。現在的基本構架需要為每個新的視頻編解碼器或者無線標準附加ASSP。以一個FPGA代替多個ASSP可以減少系統必須配置的各種體系結構，延長汽車的使用壽命。在基本車內娛樂系統構架中擴展使用FPGA可以使單個高端平臺通過編程滿足寬視頻和無線標準的要求。這同樣可以應用于高級汽車娛樂系統系統中。