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。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。可編程邏輯,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,FPGA也可以現(xiàn)場進行更新。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,FPGA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。可以在系統(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。
該參考設(shè)計在AlteraCycloneFPGA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,FPGA所具有的強大功能和靈活性。參考設(shè)計運行在AlteraNiosII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AlteraSOPCBuilder系統(tǒng)的組成部分,該系統(tǒng)用于將所有IP模塊進行無縫連接。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NiosII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。
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IP和參考設(shè)計,開發(fā)團隊能夠?qū)⒕Γê突ㄙM）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AlteraHardCopy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,FPGA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,不必對整體平臺進行昂貴的重新設(shè)計,便可以迅速改進這些設(shè)計以滿足多變的市場需求并細化產(chǎn)品。
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