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FPGA/PLD  

FPGA協助免除微控制器停產的後顧之憂

上網時間: 2009年07月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:FPGA  MCU  EOL 

汽車製造商收到了這樣的一張通知:投資多年所開發且原訂還將生產10年的微控制器產品即將停產(EOL),而自己正使用著這款元件--沒有什麼比這更糟糕的事了。然而,過去幾年來,由於半導體供應商進行產品整合與削減產品線,使得曾經相當普遍用於汽車系統中的好幾款微控制器和微處理器已經停產。

在過去,受到這一衝擊的製造商們一般有兩種選擇:在停產前一次全部購齊,不然就重新設計產品。一次購足的作法可能造成資金凍結的問題。至於重新設計,如果只是單純的調整線路板佈局即可支援不同的元件還算簡單,但要選擇一款新的微控制器系列則需要花費大量的軟體編寫與測試時間。

選擇不同的微控制器系列時,軟體的相容性是主要的障礙。大多數公司在軟體的開發、測試和驗證方面已經進行了大量的投入。因此,將設計轉換到一個新的架構時,通常需要複雜且代價高昂的軟體移植。如果這種轉換發生在產品生命週期的中期,那麼為了確保硬體平台之間不至於出現相容性方面的問題,製造商們就必須格外小心。

尋求第三種選擇方案

舉例而言,一家引擎控制系統製造商最近發現自己面臨著元件停產窘況。該製造商發現,如果將沿用了15年的原程式碼移植到全新的結構,並進行全面的功能測試的話,那可能必須耗費多位人力投入多年的時間。而且,由於先前的軟體團隊已經進行了其他的計劃,因而也不得不聘用額外的人員來進行這項工作。在針對這種架構變化進行時間與經費方面的評估之後,這家製造商開始尋找能與其現有系統相容的程式碼解決方案。

‘第三種選擇’的解決方案是採用一種以非揮發性為主的FPGA ,例如LatticeXP2 ,再加上與現有微控制器相容的第三方知識財產權(IP)核心。萊迪思(Lattice)的合作夥伴Digital Core Design(DCD)擁有一款與該製造商要求非常相近的微控制器核心。因此,DCD提議修改現有的核心,使其與停產元件的週邊設置可相互搭配(圖1 ) 。

圖1  DCD 微控制器的方塊圖
圖1 DCD 微控制器的方塊圖

該製造商堅持要求新的解決方案必須與原系統的作業情況完全一致。包括外部與內部的時序、處理器的功能,甚至相同的二進制程式碼都無需修改即可執行;這種相容性的要求甚至還包括內建於原處理器程式碼中的所有軟體時序迴圈。而在硬體方面,這個解決方案必須與原微控制器具備相同的電路板面積與接腳,並能連接到相同的介面。此外,還必須具有防止未經授權修改配置的高安全性要求。

系統解決方案

非揮發性的LatticeXP2 FPGA結合了SRAM和快閃記憶體技術,並使其整合在同一顆晶片上。上電時, FPGA的配置以平行的方式從Flash複製到SRAM,因而初始化該元件,並可在不到2毫秒的時間內進入正常運作狀態(圖2 ) 。

快速啟動的功能使非揮發FPGA輕而易舉地取代了ASSP微控制器,因為應用程式不必等待從外部記憶體載入FPGA配置的過程。基於快閃記憶體的FPGA邏輯內部還具備一些安全特性,以防止未經授權的讀取或修改內部記憶體配置。這也確保不至於發生任何未經授權的複製或篡改內部快閃記憶體配置的情況。

圖2 LatticeXP2 功能一覽。
圖2 LatticeXP2 功能一覽。

等到確定可替代的硬體後,最後一步就是讓軟體功能與原有的微控制器相匹配。DCD從該公司大量的資料庫中選擇現有且經測試與驗證過的週邊設備核心,從而實現大部份的需求。然而,由於也用了一些少數的新週邊設備,因而必須特別小心處理,才能符合原有微控制器的要求。

由於數位FPGA不具有類比轉換器,因此設計者所面臨的最大挑戰就在於原有的微控制器擁有著8個類比數位轉換器通道。為了因應這一挑戰,DCD編寫了一款IP,採用相同的軟體介面(控制與數據暫存器)連接至內部匯流排,而且可與各種外部序列和平行的ADC相連接。然後,只須再選擇一款與原微控制器具有相同轉換時序與精密度的ADC即可。

該製造商最後使用的解決方案是一個新的控制器單元(圖3 ) ,其中搭載了LatticeXP2 FPGA、ADC元件和時脈產生器。PLCC可與製造商的PCD直接連接,並以接腳對接腳的方式直接取代了原有的微控制器。由於該晶片內含開機記憶體,因而減少了電路板上的元件數,以實現一款較小型的最終解決方案。

圖3  夾層卡的設計
圖3 夾層卡的設計

結論

產品汰舊換新的情況在汽車製造領域還將持續發生,但是目前已經有了使用FPGA加上微控制器IP的替代方案。具有快速啟動特性的LatticeXP2 FPGA為汽車製造業提供了一種安全、小尺寸, 並且滿足更長生命週期需求的解決方案。這種微控制器IP架構是一種快速且具成本效益的方法,不但可取代現有的微控制器,同時也能又保持與原系統設計完全相同的軟體相容性。一款接腳相容的解決方案使製造商能夠更專注於驗證FPGA內部的IP核心,而不必再對硬體和軟體進行全面的重新設計與驗證。

作者: Kerry Howell

汽車電子資深行銷專員

萊迪思半導體公司





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