集成了數(shù)據(jù)通信、本地服務(wù)和視頻娛樂功能的高端汽車信息娛樂系統(tǒng)需要高性能的可編程處理技術(shù)支持，將FPGA協(xié)處理器整合進主流汽車信息通訊系統(tǒng)架構(gòu)是最理想的解決方案。本文提出了汽車娛樂系統(tǒng)的要求，討論了主流系統(tǒng)架構(gòu)，并介紹如何將FPGA協(xié)處理器整合進硬件和軟件架構(gòu)以滿足高性能處理要求、靈活性要求及降低成本的目標(biāo)。
娛樂電子正成為豪華汽車之間差異化的主要方面，因而推動了其性能和功能的快速發(fā)展。如何折衷考慮性能、成本和靈活性要求是設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)。高端應(yīng)用包括衛(wèi)星收音機、后座娛樂、導(dǎo)航、各種類型的音頻回放、語音合成和識別，以及其它新的應(yīng)用。
汽車娛樂系統(tǒng)用的核心技術(shù)與傳統(tǒng)的汽車應(yīng)用有本質(zhì)的區(qū)別。與汽車電子的其它領(lǐng)域不同，這些娛樂應(yīng)用是天天要用的，需求也不斷在發(fā)生變化。另外，過時的娛樂系統(tǒng)將成為新車銷售的主要障礙，并且會影響汽車轉(zhuǎn)售價格和出租價格。
車載娛樂系統(tǒng)的技術(shù)要求
傳統(tǒng)的汽車電子為具有較長產(chǎn)品壽命、更寬溫度范圍和低成本要求的全面標(biāo)準(zhǔn)化推動，車載娛樂系統(tǒng)基本上也要滿足這些要求。設(shè)計工程師不但需要設(shè)計長壽命的系統(tǒng)，并且要能適應(yīng)系統(tǒng)功能的快速發(fā)展。這些要求需要很強的靈活性和性能，這是以傳統(tǒng)的特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)所不能提供的。
現(xiàn)在設(shè)計的車載娛樂系統(tǒng)的基本架構(gòu)能夠支持平板顯示器，通過圖形化的人機界面可以顯示動態(tài)地圖和汽車信息。這些架構(gòu)周邊有高度標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器、各種標(biāo)準(zhǔn)接口以及支持低端圖形處理的簡單硬件加速器。這種架構(gòu)能夠以非常低的成本滿足汽車市場的中等級娛樂系統(tǒng)要求，也能擴展到高端應(yīng)用以適合頂級豪華汽車市場要求，視頻圖像處理和通信是典型的頂級應(yīng)用例子。支持這些應(yīng)用的各種標(biāo)準(zhǔn)包括視頻的MPEG2、MPEG4和H.264，以及通信的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、衛(wèi)星收音機、衛(wèi)星電視、數(shù)字視頻廣播和WiFi，這些標(biāo)準(zhǔn)都依賴于不斷發(fā)展的多種信號處理算法，這些算法需要特別高的可編程處理性能。
HSPACE=12 ALT="圖1：在Delphi汽車娛樂系統(tǒng)架構(gòu)中Amanda芯片應(yīng)用。">
目前有三種半導(dǎo)體技術(shù)可用于實現(xiàn)這些高度復(fù)雜的算法，這三種技術(shù)分別是可編程數(shù)字信號處理器(DSP)、ASSP和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。DSP是一種高性能可編程處理器，專門設(shè)計用于信號處理，DSP處理器靈活性高、功耗低、性價比也較高，但沒有硬件加速功能，不能提供當(dāng)今高級圖像處理和無線通信算法所需的計算能力；通常內(nèi)含DSP處理器的ASSP能夠為簡單視頻或通信標(biāo)準(zhǔn)提供優(yōu)化解決方案，但不能被編程以適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)；而FPGA不僅具有很高的處理性能，而且可編程，因此可以滿足多種應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)要求。與其它二種技術(shù)不同，F(xiàn)PGA的靈活性和性能可以滿足所有潛在算法的要求。
FPGA協(xié)處理器的應(yīng)用
上文提到的信息通訊基本架構(gòu)需要額外的處理芯片來處理高端應(yīng)用，這些芯片一般是ASIC和ASSP，它們通過存儲器或視頻處理總線與處理器集成，從而成為特定應(yīng)用協(xié)處理器。用FPGA替換這種特定應(yīng)用硬件是一種非常好的方法，將FPGA和處理器集成在一起的應(yīng)用稱為FPGA協(xié)處理。FPGA的這種使用方式能夠根據(jù)要求將新的特定應(yīng)用加速器下載到FPGA中，從而協(xié)助完成任何高性能應(yīng)用。這一概念被廣泛應(yīng)用于高級軍事多標(biāo)準(zhǔn)無線電設(shè)備，通常稱為軟件無線電(SDR)技術(shù)。采用SDR技術(shù)，通過簡單的按鍵就可以使一個無線電設(shè)備自動適應(yīng)不同的無線電標(biāo)準(zhǔn)，這不僅有助于設(shè)備適應(yīng)于未來的應(yīng)用，也能減少執(zhí)行不同任務(wù)時空閑的定制處理器的數(shù)量。這種軟件無線電技術(shù)也可以用于車載通信和視頻應(yīng)用。
FPGA在視頻處理和無線連接方面的靈活性還能節(jié)約設(shè)備成本，增加系統(tǒng)的價值。目前的基本架構(gòu)需要ASSP才能支持每個新的視頻編解碼或無線標(biāo)準(zhǔn)。用一個FPGA替代多個ASSP可以減少汽車使用壽命期間必須配置和維護的次數(shù)。擴展車載娛樂系統(tǒng)的基本架構(gòu)，使其包含F(xiàn)PGA就可以提供可編程的單一高端平臺，從而涵蓋更寬范圍的視頻和無線標(biāo)準(zhǔn)和性能。這種方法同樣適合高級汽車娛樂系統(tǒng)架構(gòu)使用。
Delphi Delco電子系統(tǒng)公司發(fā)布了先進的汽車娛樂系統(tǒng)架構(gòu)范例。該平臺采用了一個標(biāo)準(zhǔn)的SH-4微處理器和一個日立的HD64404“Amanda”ASIC器件，提供了80%中級汽車市場所需的基本功能。該系統(tǒng)提供了一個帶標(biāo)準(zhǔn)API層的通用控制處理器，可以對硬件外設(shè)和協(xié)處理器進行抽象。ASIC提供基本的外圍器件功能和一體化的圖形處理器，這種圖形處理器可以支持交互圖形和擴展功能，但不能提供視頻編解碼或其它DSP功能。該系統(tǒng)提供了所有娛樂設(shè)備所需的基本功能，但仍需要額外的ASIC或ASSP才能完成視頻編解碼和無線通信。
Delphi架構(gòu)中的Amanda芯片(見圖1，2 )使用了兩條處理總線，即用于視頻處理等高性能數(shù)據(jù)流的Pixel總線以及控制用的寄存器總線，這兩條總線都相連于SH-4 MPX總線和外部存儲器接口。總線和存儲器接口的這種完美組合可以很好地支持基于FPGA協(xié)處理器的靈活視頻編解碼和無線通信平臺。
FPGA協(xié)處理可使FPGA與控制或DSP處理器緊密整合在一起，因此可以分擔(dān)大部分算法處理任務(wù)，同時保留標(biāo)準(zhǔn)編程接口于控制處理器上。當(dāng)算法的主要數(shù)據(jù)流駐留于FPGA或相關(guān)存儲器上時，這種整合的運行效果最佳。算法是由來自于控制處理器的緩慢控制信號控制。
HSPACE=12 ALT="圖2：在Delphi架構(gòu)中Amanda芯片的應(yīng)用。">
該類型架構(gòu)可以應(yīng)用于無線通信，它能通過單個FPGA支持GSM/EDGE、WCDMA、1xEVD0中的數(shù)字處理以及各種802.11標(biāo)準(zhǔn)。其它方案只能是針對每個標(biāo)準(zhǔn)做專門的硬件設(shè)計，但這樣做會成倍增加成本和電路板面積。
另外，在圖像處理中應(yīng)用FPGA協(xié)處理后可以由單個FPGA完成包含MPEG2、MPEG4和H.264在內(nèi)的多標(biāo)準(zhǔn)視頻編解碼。事實上，這里可以使用與無線通信應(yīng)用中相同的FPGA。
FPGA協(xié)處理器通過直接存儲器訪問(DMA)接口與基于處理器的系統(tǒng)整合在一起。運行于嵌入式處理器上的軟件層為每個協(xié)處理器提供一個應(yīng)用接口，每個協(xié)處理器都有一個初始化例程，可以通過正確的應(yīng)用協(xié)處理器加載FPGA。在應(yīng)用程序初始化后，軟件就調(diào)用協(xié)處理器控制參數(shù)、時序和數(shù)據(jù)流進出協(xié)處理器。根據(jù)具體的實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不同，在FPGA協(xié)處理器和控制處理器之間可能會有高等級的交互，也可能FPGA協(xié)處理器完全獨立工作。在這種情況下，控制處理器只是簡單地加載算法，然后就處于獨立運行狀態(tài)。
加載進FPGA的每個程序映像(program image)需要整合進周邊系統(tǒng)中。FPGA的可編程功能需要一個定義完善的系統(tǒng)接口才能實現(xiàn)，因為每個基于FPGA的加速器都要依賴于它才能完成通信。通常FPGA會有多個接口連接控制器、存儲器及其它外圍器件或連接器。FPGA可能同時包含多個協(xié)處理器，這些協(xié)處理器共享一個連接控制處理器的接口。每個外圍器件或協(xié)處理器可以擁有額外的總線用于高性能數(shù)據(jù)流處理。
在視頻編解碼器中，一般有一個輸入源和一個輸出目標(biāo)。Delphi系統(tǒng)架構(gòu)中的視頻輸入接口是Amanda ASIC的一部分，并采用ITU-R BT.656接口用于視頻流。這個接口以后可以通過ASIC進行擴展和管理，以適合不同種類的顯示屏。FPGA可能需要連接到其它2條總線，即ASIC芯片上的存儲器總線和主控制處理器的PCI/MPX總線。通過這三個連接，F(xiàn)PGA就能支持高帶寬的視頻和通信應(yīng)用。
FPGA可以為特定應(yīng)用處理架構(gòu)提供可再編程的平臺，從而彌補主處理器的不足。然而，F(xiàn)PGA程序與標(biāo)準(zhǔn)處理器架構(gòu)的程序具有本質(zhì)的區(qū)別。FPGA可以提供帶可編程邏輯單元、布線資源、DSP處理模塊、存儲器和I/O的高性能硬件結(jié)構(gòu)。FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)執(zhí)行方式與標(biāo)準(zhǔn)ASSP基本相同，即系統(tǒng)的一些專用功能是通過硬件和軟件開發(fā)工具設(shè)計和實現(xiàn)的。這些工具的輸出是一種二進制映像文件，這些映像文件加載到FPGA中后將能確定所有可編程邏輯單元、布線資源、DSP處理模塊等的功能。主處理器可以在系統(tǒng)運行期間將這些二進制映像文件加載進FPGA�？梢詣�(chuàng)建各種不同的程序映像來支持汽車信息通信系統(tǒng)中可能會用到的MPEG2、MPEG4、H.264、GSM/EDGE、WCDMA、1xEVDO、GPS、3D圖形加速器或其它算法。根據(jù)用戶在娛樂系統(tǒng)中的菜單選擇，特定應(yīng)用程序可以由主處理器下載到FPGA中，然后接受主處理器的控制。
FPGA用于可編程功能要求良好定義的系統(tǒng)接口
