灵活的汽车电子设计

中国汽车设计网 微控制器在汽车和消费类市场上得到了广泛的应用，其主要优势在于能够以相对较低的成本实现系统高度集成。然而，这类产品也有潜在的成本问题。例如，如果元件功能不切合要求，就必须采用外部逻辑、软件或其他集成器件来进行扩展。此外，随着最终市场需求的迅速变化，微控制器会很快过时。许多具有一定数量专用接口的特殊功能微控制器在经过短期试用后，并不能完全满足市场需求，系统供应商不得不重新设计硬件和软件，甚至在某些情况下对处理器内核进行改动。

ASSP微控制器面临的两难

传统微控制器生产商面临影响整个市场的两难问题。微控制器是专用产品，因此，对每一种应用，必须采用新的不同特性的微控制器。为了能够以一种微控制器内核结构来应对更广阔的市场，生产商提供系列微控制器，其型号接口和功能各不相同。可是这些混合特性在很多时候并不能完全满足用户需求，因此，为了扩大客户群，必须围绕具体内核结构开发新的接口和功能。

采用老技术以较低的生产成本来实现微控制器时，这种策略非常成功。然而，现在为提高系统集成而采用了最新的工艺技术，这样，开发新型微控制器的成本大大增加。只有很少的客户需求有很大的产量，这表明专门针对一个客户来生产这类专用器件不再是可行的商业行为。结果是新型微控制器趋向于标准产品而不是专用器件，其功能越来越多，以吸引整个市场。虽然这些附加特性使微控制器功能更强，但也大大提高了成本，更难应用于对成本敏感的市场，如汽车和消费类电子。不从根本上着手芯片功能，很难解决这一两难问题。

灵活的微控制器解决方案

对该问题一种可能的解决方案是采用FPGA来灵活地实现芯片功能。这些器件大大缩短了工程开发时间，降低了芯片多次试制的成本，是微控制器有力的替代方案。在设计过程中，FPGA不像微控制器那样会漏掉某些特性，它可以编程，并根据需要重新编程，快速完成原型开发，更迅速地将产品推向市场。如果需求变化了，甚至还可以在现场对其进行更新——即使是器件已经在产品中应用了。

汽车系统图像控制器应用就是FPGA优于传统控制器的一个例子，如图1所示。尽管汽车市场需要低成本FPGA来实现图像等各种功能，但要采用大量的芯片，因此，在可编程器件中实现复杂功能的成本太高了。

图1 汽车信息娱乐平台

而灵活的微控制器不但性价比好，而且非常切合用户需求。以采用了90nm结构化的ASIC，Altera HardCopy器件为例，它性价比高，作为基本芯片，其功能在大量经过预定义和灵活的构建模块库中进行选择，可以针对客户需求进行定制。

总线体系结构

传统上，微控制器一直采用单总线，由仲裁器对总线监控，分配资源。这对总线而言非常不利，作为系统的中心资源，它很快就成为瓶颈。因此，较新的系统采用多层总线，特别是多条总线并行工作的SoC。

考虑到EMC和功耗问题，有时可以采用和系统其他部分运行速率不同的外围模块。当以更高的速率运行存储器接口，使访问时间相对较短，而系统其他部分运行在较低时钟速率时，这种方法比较有用。还可以将许多采用低时钟速率便能够工作的模块整合到一起。为满足EMC或者功耗要求，使用SOPC Builder等工具能够轻松地将这些单元与其他运行速率很高的系统分开。这样可以自动生成同步不同时钟域所需的逻辑，而设计人员只需要指定哪些模块运行在给定的时钟域上。

在FPGA中实现微控制器

由于这类系统要比简单的图像控制器复杂得多，在大多数情况下，FPGA被用作原型开发工具。采用FPGA作为原型大大降低了开发风险，它可以进行全面的验证、固件开发和现场测试。

使用FPGA进行原型开发意味着工程师可以在系统运行器件，在真实的环境中进行测试。这样，工程师能够确定仿真过程中难以发现的潜在设计缺陷。

对系统进行现场测试有利于发现系统和器件缺陷，而这在实验室中却难以实现。在很多情况下，销售人员为获得订单而有必要进行系统演示。对于最初的规范，还需要加入某些新特性和功能。不论是以前没有发现的问题还是加入新特性，FPGA原型开发可以迅速进行修改，不但没有较大的一次性工程成本，而且生产周期较短。

灵活的微控制器解决方案中的最终单元是ASIC开发。建立并测试原型系统后，Altera可将其转为HardCopy结构化ASIC。与其他的结构化ASIC不同，HardCopy器件使用和FPGA原型相同的构建模块，因此，不必重新对设计进行综合，或者进行更多的验证。使用 HardCopy器件的周转时间较短，设计人员可以很快完成FPGA逻辑，有效降低成本。

结论

下一代汽车电子系统需要采用非常专业的低成本器件，以满足市场需求。考虑到目前工艺技术开发成本的攀升，对传统微控制器进行专门处理有些不切实际。而针对较大市场范围的多功能器件价格昂贵，也不实用。相反，灵活的微控制器方案针对具体应用开发合适的微控制器，在FPGA中实现原型开发。设计完成后，甚至是在设计过程中就可以立即进行验证、软件开发和现场测试。对于批量生产，FPGA设计直接映射到HardCopy结构化ASIC，而不用重新综合或者再次验证。