如何在FPGA內實現(xiàn)最佳化車用MCU設計方案？

　　RISC CPU

　　在Altera設計概念中使用的CPU是軟RISC處理器。然而，與一般情況不同，該處理器并不是建構在一個預先設定好、無法改變的芯片內。相反地，它采用的作法是依據(jù)系統(tǒng)架構師/設計工程師，借助可用工具定義的規(guī)格自動產生，并與整個電路所需的其余邏輯同時載入FPGA。因此對于特定應用需求，可使用相關開發(fā)工具對處理器核心進行參數(shù)化。更重要的是，它可根據(jù)所需功能以及實現(xiàn)這些所需功能所需的邏輯資源，無縫地實現(xiàn)設計。

　　在基于Altera的靈活MCU應用中，Nios II嵌入式處理器采用一款帶32位元獨立位址和資料匯流排的標準RISC架構。兩個匯流排都透過獨立快取記憶體執(zhí)行，且可獨立地連續(xù)饋送到匯流排系統(tǒng)。最后，系統(tǒng)架構師決定對程式碼和資料采用個別記憶體或是兩者共用記憶體。任何處理器包含的功能單元都呈現(xiàn)在Nios II嵌入式處理器中，根據(jù)不同設定決定它們的特性。例如可選擇硬件乘法器、桶式移位器以及硬件除法器作為選項，同樣地，對指令和資料緩沖記憶體進行精確的處理，其尺寸可不同或是徹底被排除在外。

　　匯流排架構

　　傳統(tǒng)上在MCU內一直是采用單匯流排，一個仲裁器用于監(jiān)控匯流排，以便使匯流排成為一種分散式資源。隨著作為系統(tǒng)中心資源的匯流排迅速成為一項瓶頸，這種安排導致了嚴重的損害。因此，在較新的系統(tǒng)，特別是在許多匯流排平行工作的系統(tǒng)級芯片(SoC)上，已開始采用多層匯流排架構。目前FPGA的匯流排組織結構也以相似的原則進行，不同的是，在其他多層匯流排中所呈現(xiàn)的層數(shù)是固定的，但FPGA匯流排建構能讓使用者依需求自由選擇層數(shù)。

　　當考慮到電磁相容性(EMC)和功耗問題時，附加一個有別于整體系統(tǒng)執(zhí)行功率的周邊模組有時是合理的。舉例而言，以較高速度執(zhí)行一個記憶體界面，將可縮短存取時間，而系統(tǒng)內其余元件便得以較低的時脈速率運作。另一種方案是可在相對較低時脈便已足夠的地方整合多個模組。

　　為滿足EMC或功耗要求，采用諸如SOPC Builder等高階系統(tǒng)設計工具可輕易地將這些部分與系統(tǒng)內以很高頻率工作的部分分離。這些工具可自動產生同步這些不同時脈域所需的邏輯，而設計師只需指定在一個特定時脈域中執(zhí)行哪些模組。

　　在FPGA內實現(xiàn)MCU

　　由于汽車MCU系統(tǒng)的復雜性比純繪圖控制器要高得多，所以FPGA大多用于原型邏輯產生。以FPGA產生原型能大幅降低開發(fā)風險，因為它能提供全面驗證、韌體開發(fā)以及現(xiàn)場測試的功能。除此之外，藉由使用FPGA產生原型，設計師能以‘在系統(tǒng)內’的方式執(zhí)行元件，并以真實情境的方式運作，以識別出一些模擬時沒被偵測出的潛在設計缺失。

　　軟件發(fā)展在整個開發(fā)周期中占了絕大部份。隨著軟件發(fā)展要花更長時間及更多資源，原型系統(tǒng)可縮短整個開發(fā)周期、發(fā)現(xiàn)設計缺失、解決相容性問題、緩解對新硬件功能的需求，以支援無法用軟件有效處理或實現(xiàn)的功能。

　　用真實系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試有助于察覺無法在實驗室發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)或元件缺陷。在許多情況，銷售人員為了說服客戶提前下單，擁有一個展示系統(tǒng)是不可或缺的。

　　而一些在最初規(guī)格中沒有的特性和功能也許也將成為必須。無論是因為之前沒發(fā)現(xiàn)的缺陷還是必須需增加新功能，F(xiàn)PGA產生的原型都可以快速地被修改，無須一再花費巨額工程成本或忍受漫長制造周期。

　　靈活MCU概念中的最后步驟是ASIC開發(fā)。一旦建構并測試完原型系統(tǒng)，則可著手將設計轉換為結構化ASIC。例如，若采用Altera元件，設計立即被轉換為HardCopy結構化ASIC元件。與其它結構化ASIC不同，若采用該設計流程，則無須重新進行設計合成或花費額外的驗證周期，因這些元件采用的是與其FPGA互補的構件。

　　采用該結構化ASIC流程提供的快速轉換速度能讓設計師快速簽核FPGA邏輯，因而實現(xiàn)快速、低成本的轉換。

　　本文小結

　　下一代汽車電子系統(tǒng)需要高度專用、成本最佳化的元件以滿足市場需求?？紤]到先進制程技術開發(fā)成本的急劇成長，對傳統(tǒng)MCU針對特殊應用而設計的作法在商業(yè)考量上已不再適用。

　　針對廣泛應用市場所設計的功能豐富型元件也因為過于昂貴而漸被市場淘汰。取而代之的則是靈活的MCU概念，只要將它安置在FPGA中來產生原型，就能提供為特定應用開發(fā)恰到好處MCU的程序。設計完成后，甚至在設計過程中可立即進行驗證、軟件發(fā)展和現(xiàn)場測試。

　　為進行量產，F(xiàn)PGA設計被直接映射為一個結構化ASIC而無須重新合成或額外驗證。不只是軟件發(fā)展，該方法實現(xiàn)了將硬件定義掌控在汽車電子系統(tǒng)設計師手中。創(chuàng)造了一種與當今任何固定功能MCU相比，均可花費更少時間以及更低成本的應用最佳化車用MCU。