汽車娛樂(lè)電子推動(dòng)了功能和容量的快速發(fā)展，促使設(shè)計(jì)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(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)。汽車設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能夠提供最靈活、性能最佳而成本可控的解決方案?？?a target="_blank">編程邏輯，特別是現(xiàn)場(chǎng)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?yàn)橹圃焐烫峁┏杀拘б孑^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(kāi)發(fā)成本不斷攀升，降低批量?jī)r(jià)格、快速面市的要求以及功能復(fù)雜性的提高可能會(huì)預(yù)示著汽車市場(chǎng)中 ASIC 統(tǒng)治時(shí)代的結(jié)束。頂級(jí)汽車供應(yīng)商正在尋找一種最具成本效益的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其強(qiáng)大的功能和靈活性能夠滿足越來(lái)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(fèi)類市場(chǎng)上是 ASIC 的一種替代方案。這類產(chǎn)品的主要優(yōu)勢(shì)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(jì)早期可能不需要 ASSP，設(shè)計(jì)一旦投產(chǎn)之后，便不再采用 ASSP。

FPGA 能夠顯著縮短工程開(kāi)發(fā)時(shí)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(qiáng)大而又靈活的解決方案。ASSP 可能會(huì)丟失所需功能，ASIC 則有隨著設(shè)計(jì)修改而必須重制的風(fēng)險(xiǎn)，而 FPGA 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以進(jìn)行編程，并根據(jù)需要重新編程，實(shí)現(xiàn)更快速的原型設(shè)計(jì)，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(chǎng)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(gòu)量問(wèn)題，也不存在 ASSP 相關(guān)的潛在成本問(wèn)題，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最具成本效益的選擇。而且，F(xiàn)PGA 在通用硬件平臺(tái)上能夠重復(fù)使用的能力顯得非常重要，使設(shè)計(jì)人員能夠生成不同的系統(tǒng)，憑借一個(gè)基本設(shè)計(jì)便可以支持多種功能，從而降低制造成本。

FPGA 參考設(shè)計(jì)推動(dòng)汽車圖形技術(shù)

信息娛樂(lè)應(yīng)用要求越來(lái)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(shí)現(xiàn)，但代價(jià)是極高的成本、復(fù)雜度和功耗。可以在系統(tǒng)中加入 FPGA 來(lái)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)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(jī)處理器的汽車圖形控制系統(tǒng)

該參考設(shè)計(jì)在 Altera Cyclone FPGA 中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻輸入模塊和 LCD 圖形控制器，展示了汽車市場(chǎng)需要的低成本應(yīng)用中，F(xiàn)PGA 所具有的強(qiáng)大功能和靈活性。參考設(shè)計(jì)運(yùn)行在 Altera Nios II 嵌入式處理器開(kāi)發(fā)板上，并加入了用于實(shí)現(xiàn)相機(jī) / 視頻輸入、輸出顯示驅(qū)動(dòng)電路的模塊。

視頻輸入模塊包括一個(gè)前端相機(jī)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(chǔ)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(wú)縫連接。OpenGL-E 圖形庫(kù)子集運(yùn)行在主機(jī) CPU 中。該庫(kù)提供處理和表征位圖、幀緩沖訪問(wèn)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(shí)，這些擴(kuò)展圖形應(yīng)用會(huì)占用大量的計(jì)算，因此，可能會(huì)需要一個(gè)功能非常強(qiáng)大的主機(jī) CPU 來(lái)實(shí)現(xiàn) OpenGL 圖形庫(kù)。FPGA 可做為一個(gè)協(xié)處理器架構(gòu)，卸載主機(jī) 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(jì)系統(tǒng)中加入圖形加速協(xié)處理器的實(shí)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(duì)主機(jī) CPU 的 CPU 要求會(huì)顯著降低。當(dāng)然會(huì)使用更多的 FPGA 資源，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(jī) CPU 的優(yōu)點(diǎn)。圖 3 顯示了如何在 FPGA 中采用 Nios II 處理器實(shí)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(jì)。

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

平臺(tái)概念——多種小變化

通過(guò)在汽車圖形系統(tǒng)中采用 FPGA，相同的平臺(tái)可用于解決不同的市場(chǎng)需求。圖 4 顯示了怎樣以單個(gè)通用平臺(tái)開(kāi)始，進(jìn)行多種變化來(lái)滿足不同的市場(chǎng)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(jì)說(shuō)明了這種概念是如何工作的。根據(jù)市場(chǎng)需求，采用單個(gè)工作參考平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)多種圖形控制器模塊衍生。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn) IP 和參考設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒕Γê突ㄙM(fèi)）集中在如何使產(chǎn)品領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，滿足客戶的要求，而不必耗費(fèi)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(lái)器件系列中可以重復(fù)使用，因此 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)倉(cāng)、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(jì)提供了靈活的低風(fēng)險(xiǎn)途徑——降低了制造的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了最佳成本效益。FPGA 可用作簡(jiǎn)單膠合邏輯以及不同組件間的接口橋接——有助于實(shí)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(kuò)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(shí)面市的壓力時(shí)，盡管汽車應(yīng)用需要合適的 ASIC 以實(shí)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(shí)現(xiàn)的低成本結(jié)構(gòu)和豐富的器件資源組合使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)檫@種批量產(chǎn)品應(yīng)用提供全面而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。而且，由于 FPGA 所具有的靈活性，不必對(duì)整體平臺(tái)進(jìn)行昂貴的重新設(shè)計(jì)，便可以迅速改進(jìn)這些設(shè)計(jì)以滿足多變的市場(chǎng)需求并細(xì)化產(chǎn)品。

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