基于可編程邏輯器件實現(xiàn)汽車微控制器的方案設計

基于可編程邏輯器件實現(xiàn)汽車微控制器的方案設計1引言微控制器在汽車和消費類市場上得到了廣泛應用，能夠以相對較低的成本實現(xiàn)系統(tǒng)高度集成。然而，這類產(chǎn)品也有潛在的成本問題。例如，如果元件功能不符合要求，就必須采用外部邏輯、軟件或者其他集成器件來進行擴展。而且，隨著最終市場需求的迅速變化，微控制器會很快過時。許多具有一定數(shù)量專用接口的特殊功能微控制器在經(jīng)過短期試用后，并不能完全滿足市場需求。因此，系統(tǒng)供應商不得不重新設計硬件和軟件，甚至在某些情況下對處理器內(nèi)核進行改動。2ASSP微控制器面臨的兩難傳統(tǒng)微控制器生產(chǎn)商面臨影響整個市場的兩難問題。微控制器是專用產(chǎn)品，因此，對每一種應用，必須采用新的、不同特性的微控制器。為了能夠以一種微控制器內(nèi)核結構來應對更廣闊的市場，生產(chǎn)商提供系列微控制器，其型號接口和功能各不相同。這些混合特性在很多時候并不能完全滿足用戶需求，因此，為了擴大客戶群，必須圍繞具體內(nèi)核結構開發(fā)新的接口和功能。采用老技術以較低的生產(chǎn)成本來實現(xiàn)微控制器時，這種策略非常成功。然而，現(xiàn)在為提高系統(tǒng)集成而采用了最新的工藝技術，這樣，開發(fā)新型微控制器的成本大大增加了。只有很少的客戶有很大的產(chǎn)量需求，這表明專門針對一個客戶來生產(chǎn)這類專用器件并不是可行的商業(yè)行為。為此，新型微控制器趨向于標準產(chǎn)品而不是專用器件，以越來越多的功能，吸引整個市場。雖然這些附加特性使微控制器功能更強，但也大大提高了成本，使其更難應用于對成本敏感的市場，例如汽車和消費類行業(yè)。如果不從根本上著眼芯片功能，則很難解決這個問題。3靈活的微控制器解決方案對該問題的解決方案之一是采用FPGA來靈活地實現(xiàn)芯片功能。這些器件大大縮短了工程開發(fā)時間，降低了芯片多次試制的成本，是微控制器有力的替代方案。在設計過程中，F(xiàn)PGA不像微控制器那樣會漏掉某些特性，它可以編程，并能根據(jù)需要進行改寫，快速完成原型開發(fā)，更迅速地將產(chǎn)品推向市場。如果需求變化，即使器件已經(jīng)應用到產(chǎn)品中，還可以在現(xiàn)場對其進行更新。汽車系統(tǒng)圖像控制器應用就是FPGA優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的一個例子。盡管汽車市場需要低成本FPGA來實現(xiàn)圖像等各種功能，但要采用大量的芯片，因此，在可編程器件中實現(xiàn)復雜功能的成本太高。靈活的微控制器不但性價比好，而且非常切合用戶需求。其性價比之所以好，是因為采用了90nm結構化ASIC——如AlteraHardCopy器件作為基本芯片，其功能在大量經(jīng)過預定義和靈活的構建模塊庫中進行選擇，可以針對客戶需求進行定制。在開發(fā)過程中，HardCopy結構化ASIC與傳統(tǒng)的微控制器不同，它支持從原型FPGA到微控制器的無縫移植。CPU和總線體系結構都是靈活的微控制器方案所獨有的，可以針對專門的客戶應用，以合適的功能和特性映射到設計中。HardCopy系列的優(yōu)點包括：3.1芯片比FPGA快50%內(nèi)核功耗比FPGA低70%管芯小60%至85%軟件統(tǒng)一的FPGA和HardCopy設計環(huán)境功耗和性能管理工具價格低廉，使用方便封裝與FPGA引腳至引腳兼容低成本產(chǎn)品封裝不需要重制電路板3.2RISCCPU這一方案中使用的CPU是AlteraNiosII嵌入式處理器，與一般情況不同，它并不固定在預定的芯片中，而是利用實際工具，根據(jù)系統(tǒng)體系結構的要求而自動生成，和整個電路需要的其他邏輯一起裝入FPGA中。這樣，可以根據(jù)專門應用，使用Altera的SOPCBuilder工具對處理器內(nèi)核進行參數(shù)化設置，以占用最少的邏輯，實現(xiàn)最合適的功能。NiosII處理器采用標準RISC體系結構，具有單獨的地址總線和數(shù)據(jù)總線，都是32位寬。兩種總線通過單獨的緩沖進行工作，還可以在總線系統(tǒng)中進一步分開。最后，由系統(tǒng)設計人員確定代碼和數(shù)據(jù)是使用不同的存儲器，還是放在共享存儲器中。NiosII處理器含有每一處理器的大部分功能單元，設置決定其特性。例如，可以根據(jù)要求來選擇硬件乘法器、桶形移位寄存器和硬件除法器。指令和數(shù)據(jù)緩沖也是如此，其容量大小可以調整，也可以完全不用。4總線體系結構傳統(tǒng)上，微控制器一直采用單總線，由仲裁器對總線監(jiān)控，分配資源。這對總線而言非常不利，作為系統(tǒng)的中心資源，很快就成為瓶頸。因此，較新的系統(tǒng)采用了多層總線，特別是多條總線并行工作的SoC。Altera的Avalon總線結構工作原理相似，不同之處在于——其他多層總線中，層數(shù)都是固定不變的，而Avalon可以自由選擇所需要的層數(shù)?？紤]到EMC和功耗問題，有時可以采用與系統(tǒng)其他部分運行速率不同的外圍模塊。當以更高的速率運行存儲器接口，訪問時間相對較短，而系統(tǒng)其他部分運行在較低時鐘速率時，這種方法比較適用。還可以將許多低時鐘速率模塊整合到一起。為滿足EMC或者功耗要求，使用SOPCBuilder能夠輕松地將這些單元與其他運行速率很高的系統(tǒng)分開。這樣可以自動生成同步不同時鐘域所需的邏輯，而設計人員只需指定哪些模塊運行在給定的時鐘域上即可。圖1汽車信息娛樂平臺5在FPGA中實現(xiàn)微控制器由于這類系統(tǒng)要比簡單的圖像控制器復雜得多，在大多數(shù)情況下，F(xiàn)PGA被用作原型開發(fā)工具。采用FPGA作為原型大大降低了開發(fā)風險，它可以進行全面的驗證、固件開發(fā)和現(xiàn)場測試。使用FPGA進行原型開發(fā)意味著工程師可以在系統(tǒng)運行器件，在真實的環(huán)境中進行測試。這樣，工程師能夠確定仿真過程中難以發(fā)現(xiàn)的潛在設計缺陷。軟件開發(fā)已經(jīng)是整個開發(fā)周期中的主要部分。軟件開發(fā)需要大量的時間和資源，因此，原型系統(tǒng)能夠縮減整個開發(fā)周期，發(fā)現(xiàn)瑕疵和兼容性問題。對系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試有利于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和器件缺陷，而這在實驗室中卻難以實現(xiàn)。在很多情況下，銷售人員為獲得訂單而有必要進行系統(tǒng)演示。對于最初的規(guī)范，還需要加入某些新特性和功能。不論是以前沒有發(fā)現(xiàn)的問題還是新加入的特性，F(xiàn)PGA原型開發(fā)都可以迅速進行修改，降低較大的一次性工程成本，令生產(chǎn)周期縮短。圖2靈活的汽車微控制器解決方案靈活的微控制器解決方案中的最終單元是進行ASIC的開發(fā)。建立并測試原型系統(tǒng)后，將設計交給Altera，轉為HardCopy結構化ASIC。與其他的結構化ASIC不同，HardCopy器件使用和FPGA原型相同的構建模塊，因此，不必重新對設計進行綜合，或者進行更多的驗證。使用HardCopy器件的周轉時間較短，設計人員可以很快地完成FPGA邏輯，盡可能地降低成本。6結論下一代汽車電子系統(tǒng)需要采用非常專業(yè)的低成本器件，以滿足市場需求。考慮到目前工藝技術開發(fā)成本的攀升，采用傳統(tǒng)微控制器有些不切實際，而針對較大市場