基于FPGA的汽車ECU設(shè)計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)（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(shè)計優(yōu)勢，就是可以采用三模冗

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

　　另外，在這個高度關(guān)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(tǒng)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(tǒng)的僅加電模式、休眠模式和外設(shè)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(jié)構(gòu)中配備有硬核處理器，便于設(shè)計人員第一步先用軟件開發(fā)整個系統(tǒng)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(shè)計中增加硬件，將部分設(shè)計移植到可編程邏輯資源。這種方法能夠讓設(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(shè)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(xiàn) 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(shè)計 ECU。部分可重配置技術(shù)能夠為汽車設(shè)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(tǒng)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(dāng)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(shù)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(tǒng)（即引導(dǎo)載入程序和立即需要的部分系統(tǒng)應(yīng)用），讓系統(tǒng)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(tǒng)在加電或喚醒時需要快速響應(yīng)，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(tǒng)架構(gòu)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(fù)責(zé)執(zhí)行啟動過程的系統(tǒng)（一般來說是主機 CPU），以及可重配置引擎和通往位流庫的數(shù)據(jù)鏈路。由特定部分位流描述的其他域可按應(yīng)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(tǒng)中，汽車設(shè)計人員還可使用一種從航空航天應(yīng)用中借鑒來的重配置技術(shù)。重配置（configuration scrubbing） 可以將系統(tǒng)從因單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU）和電磁干擾造成的 SRAM 故障中恢復(fù)過來。定期重新配置硬件外設(shè)可保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時自我修復(fù)。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(nèi)。這種技術(shù)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(shè)的定期重配置。

　　另一項運行時部分重配置技術(shù)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(xiàn)永久性或不可修復(fù)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(xiàn)故障修復(fù)。一旦發(fā)現(xiàn)有硬件或軟件故障出現(xiàn)，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(gòu)思是可行的，但這項功能還沒有得到當(dāng)今的自動化工具的完全支持。

　　適用于汽車產(chǎn)業(yè)的運行時可重配置計算技術(shù)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(fù)用?？梢詫τ?ECU 中的相同計算資源處理的功能性應(yīng)用進行時間共享，如果應(yīng)用間相互獨立（例如，當(dāng)車輛向前直行駛時使用行車道偏離預(yù)警功能，倒車時，則切換到后視攝像頭視圖或停車輔助應(yīng)用）。這種設(shè)計思路可以幫助降低此類嵌入式系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，釋放空間，減輕車身重量。