FPGA參考設(shè)計在汽車圖形系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車娛樂電子推動了功能和容量的快速發(fā)展，促使設(shè)計人員在性能、成本和靈活性上做出綜合考慮。與其他汽車電子領(lǐng)域不同，多媒體圖形應(yīng)用高度可視化，其需求多變，在許多情況下甚至還沒有建立標(biāo)準(zhǔn)。汽車設(shè)計人員需要一個能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？删幊踢壿?，特別是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)便是這樣的解決方案。

在以前，專用集成電路(ASIC)能夠為制造商提供成本效益較好的芯片方案，因此，汽車圖形應(yīng)用在半導(dǎo)體方面一般選用ASIC。但是，ASIC開發(fā)成本不斷攀升，降低批量價格、快速面市的要求以及功能復(fù)雜性的提高可能會預(yù)示著汽車市場中ASIC統(tǒng)治時代的結(jié)束。頂級汽車供應(yīng)商正在尋找一種最具成本效益的設(shè)計平臺，其強大的功能和靈活性能夠滿足越來越復(fù)雜的汽車數(shù)字系統(tǒng)的需求。

專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)在汽車和消費類市場上是ASIC的一種替代方案。這類產(chǎn)品的主要優(yōu)勢在于低成本。但是，ASSP具有隱含的成本，如尋找各種功能都合適的ASSP，而不必添加外部邏輯、軟件以及其他ASIC或者ASSP。而且，隨著需求的不斷變化，在設(shè)計早期可能不需要ASSP，設(shè)計一旦投產(chǎn)之后，便不再采用ASSP。

FPGA能夠顯著縮短工程開發(fā)時間，降低多芯片重復(fù)使用成本，成為汽車圖形應(yīng)用中替代ASIC和ASSP的功能強大而又靈活的解決方案。ASSP可能會丟失所需功能，ASIC則有隨著設(shè)計修改而必須重制的風(fēng)險，而FPGA在設(shè)計過程中，可以進(jìn)行編程，并根據(jù)需要重新編程，實現(xiàn)更快速的原型設(shè)計，加快產(chǎn)品面市。如果需求變化，即使是器件已經(jīng)在車輛中投入使用了，F(xiàn)PGA也可以現(xiàn)場進(jìn)行更新。FPGA不存在預(yù)先的ASIC流片(NRE)成本以及最小訂購量問題，也不存在ASSP相關(guān)的潛在成本問題，它是系統(tǒng)設(shè)計最具成本效益的選擇。而且，F(xiàn)PGA在通用硬件平臺上能夠重復(fù)使用的能力顯得非常重要，使設(shè)計人員能夠生成不同的系統(tǒng)，憑借一個基本設(shè)計便可以支持多種功能，從而降低制造成本。

FPGA參考設(shè)計推動汽車圖形技術(shù)

信息娛樂應(yīng)用要求越來越復(fù)雜的圖形處理能力。這種處理可以在高端處理器和DSP中實現(xiàn)，但代價是極高的成本、復(fù)雜度和功耗?？梢栽谙到y(tǒng)中加入FPGA來降低圖形系統(tǒng)的總成本、復(fù)雜度，以及性能需求。圖1所示為一個標(biāo)準(zhǔn)的圖形參考設(shè)計，該設(shè)計承載視頻輸入，覆蓋LCD屏幕上顯示的其他圖像。

圖1： 采用FPGA和主機處理器的汽車圖形控制系統(tǒng)

該參考設(shè)計在Altera Cyclone™ FPGA中實現(xiàn)了一個視頻輸入模塊和LCD圖形控制器，展示了汽車市場需要的低成本應(yīng)用中，F(xiàn)PGA所具有的強大功能和靈活性。參考設(shè)計運行在Altera Nios II嵌入式處理器開發(fā)板上，并加入了用于實現(xiàn)相機/視頻輸入、輸出顯示驅(qū)動電路的模塊。

視頻輸入模塊包括一個前端相機接口和用于色彩空間轉(zhuǎn)換、調(diào)整和縮放的IP，以及視頻存儲器接口。LCD顯示接口包括控制不同層之間以及圖象之間半透明效果的IP功能。這些輸入和輸出控制模塊是Altera SOPC Builder系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)用于將所有IP模塊進(jìn)行無縫連接。OpenGL-E圖形庫子集運行在主機CPU中。該庫提供處理和表征位圖、幀緩沖訪問和圖形基元繪圖的所有功能。

由于進(jìn)行透視操作、旋轉(zhuǎn)、繪制直線和多邊形、紋理操作以及相似的任務(wù)時，這些擴展圖形應(yīng)用會占用大量的計算，因此，可能會需要一個功能非常強大的主機CPU來實現(xiàn)OpenGL圖形庫。FPGA可做為一個協(xié)處理器架構(gòu)，卸載主機CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

圖2： 帶有硬件加速協(xié)處理器的圖形控制系統(tǒng)

圖2顯示了在參考設(shè)計系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實例。該協(xié)處理器可承載多種算法，如：

●直接blit、拉伸blit、透明、雙線性濾波、每象素alpha、著色、抗鋸齒處理等位塊圖像傳送(BLIT)操作

●任意寬度直線繪制、圓角、截角、alpha梯度、圖像邊緣模糊(模糊化)

●三角形、四邊形等多邊形繪制、alpha梯度、圖像邊緣模糊(模糊化)

●圓、橢圓和二次曲線截面繪制

●生成二次和三次Bézier曲線

加入?yún)f(xié)處理器后，對主機CPU的CPU要求會顯著降低。當(dāng)然會使用更多的FPGA資源，但是系統(tǒng)設(shè)計人員可以自由選擇在硬件中采用何種算法，具體在軟件中采用哪種以優(yōu)化大部分關(guān)鍵系統(tǒng)要求(速度、功耗、成本等)。

我們可以進(jìn)一步延伸該卸載范例，采用FPGA中實現(xiàn)的處理器將其他處理任務(wù)放在FPGA中。這樣還具有減少系統(tǒng)元件和外部主機CPU的優(yōu)點。圖3顯示了如何在FPGA中采用Nios II處理器實現(xiàn)其余軟件控制任務(wù)(如抗鋸齒處理和OpenGL兼容等)的圖形參考設(shè)計。

圖3： 在FPGA中實現(xiàn)帶有主機CPU的圖形控制系統(tǒng)

平臺概念——多種小變化

通過在汽車圖形系統(tǒng)中采用FPGA，相同的平臺可用于解決不同的市場需求。圖4顯示了怎樣以單個通用平臺開始，進(jìn)行多種變化來滿足不同的市場需求，而不必重制ASIC或者建立并調(diào)試新的電路板。

本文闡述的多種汽車參考設(shè)計說明了這種概念是如何工作的。根據(jù)市場需求，采用單個工作參考平臺來實現(xiàn)多種圖形控制器模塊衍生。通過使用標(biāo)準(zhǔn)IP和參考設(shè)計，開發(fā)團(tuán)隊能夠?qū)⒕?和花費)集中在如何使產(chǎn)品領(lǐng)先于競爭對手，滿足客戶的要求，而不必耗費在基本編程上。而且，使用FPGA并不排除以后采用ASIC。由于所有的基本IP在未來器件系列中可以重復(fù)使用，因此FPGA中實現(xiàn)的設(shè)計可以移植到Altera HardCopy器件等結(jié)構(gòu)化ASIC或者完全定制的ASIC中。

結(jié)論

在發(fā)動機倉、乘客車廂內(nèi)以及外部診斷系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA為成功的系統(tǒng)設(shè)計提供了靈活的低風(fēng)險途徑——降低了制造的復(fù)雜性，實現(xiàn)了最佳成本效益。FPGA可用作簡單膠合邏輯以及不同組件間的接口橋接——有助于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)組件、微處理器和系統(tǒng)總線間的通信。FPGA還可以擴展特性，集成內(nèi)核系統(tǒng)功能以替代ASSP和ASIC。

當(dāng)考慮到不斷增加的復(fù)雜度和及時面市的壓力時，盡管汽車應(yīng)用需要合適的ASIC以實現(xiàn)大批量產(chǎn)品，但是FPGA仍舊能夠滿足甚至超越總工程成本目標(biāo)。FPGA中實現(xiàn)的低成本結(jié)構(gòu)和豐富的器件資源組合使設(shè)計人員能夠為這種批量產(chǎn)品應(yīng)用提供全面而又經(jīng)濟的解決方案。而且，由于FPGA所具有的靈活性，不必對整體平臺進(jìn)行昂貴的重新設(shè)計，便可以迅速改進(jìn)這些設(shè)計以滿足多變的市場需求并細(xì)化產(chǎn)品。