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處理器/DSP  

利用FPGA協同處理器最佳化汽車資訊娛樂和通訊系統設計

上網時間: 2004年11月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:協同處理器  汽車  資訊娛樂  資訊通訊  可程式 

整合了數據通訊、本地服務和視訊娛樂功能的高階汽車資訊娛樂系統需要高性能的可程式處理技術支援,將FPGA協同處理器整合進主流汽車資訊通訊系統架構是最理想的解決方案。本文提出了汽車娛樂系統的要求,討論了主流系統架構,並介紹如何將FPGA協同處理器整合進硬體和軟體架構以滿足高性能處理要求、靈活性要求及降低成本的目標。

娛樂電子正成為豪華汽車之間差異化的主要方面,因而推動了其性能和功能的快速發展。如何折衷考慮性能、成本和靈活性要求是設計工程師面臨的挑戰。高階應用包括衛星收音機、後座娛樂、導航、各種類型的音訊回放、語音合成和識別,以及其它新的應用。

汽車娛樂系統用的核心技術與傳統的汽車應用有本質的區別。與汽車電子的其它領域不同,這些娛樂應用是天天要用的,需求也不斷在產生變化。另外,過時的娛樂系統將成為新車銷售的主要障礙,並且會影響汽車轉售價格和出租價格。

車載娛樂系統的技術要求

傳統的汽車電子為具有較長產品壽命、更寬溫度範圍和低成本要求的全面標準化推動,車載娛樂系統基本上也要滿足這些要求。設計工程師不但需要設計長壽命的系統,並且要能適應系統功能的快速發展。這些要求需要很強的靈活性和性能,這是以傳統的特定應用標準產品(ASSP)為基礎的系統架構所不能提供的。

現在設計車載娛樂系統的基本架構能夠支援平板顯示器,透過圖形化的人機介面可以顯示動態地圖和汽車資訊。這些架構周邊有高度標準化的微控制器、各種標準介面以及支援低階圖形處理的簡單硬體加速器。這種架構能夠以非常低的成本滿足汽車市場的中等級娛樂系統要求,也能擴展到高階應用以適合頂級豪華汽車市場要求,視訊圖像處理和通訊是典型的頂級應用例子。支援這些應用的各種標準包括視訊的MPEG2、MPEG4和H.264,以及通訊的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、衛星收音機、衛星電視、數位視訊廣播和WiFi,這些標準都依賴於不斷發展的多種訊號處理演算法,這些演算法需要特別高的可程式處理性能。

目前有三種半導體技術適用於實現這些高度複雜的演算法,這三種技術分別是可程式數位訊號處理器(DSP)、ASSP和現場可程式閘陣列(FPGA)。DSP是一種高性能可程式處理器,專門設計用於訊號處理,DSP處理器靈活性高、功耗低、性價比也較高,但沒有硬體加速功能,不能提供目前高級圖像處理和無線通訊演算法所需的運算能力;通常內含DSP處理器的ASSP能夠為簡單視訊或通訊標準提供最佳化解決方案,但不能被編程以適應不同的標準;而FPGA不僅具有很高的處理性能,而且可程式,因此可以滿足多種應用和標準要求。與其它二種技術不同,FPGA的靈活性和性能可以滿足所有潛在演算法的要求。

FPGA協同處理器的應用

上文提到的資訊通訊基本架構需要額外的處理晶片來處理高階應用,這些晶片一般是ASIC和ASSP,它們透過記憶體或視訊處理匯流排與處理器整合,因而成為特定應用協同處理器。用FPGA替換這種特定應用硬體是一種非常好的方法,將FPGA和處理器整合在一起的應用稱為FPGA協同處理。FPGA的這種使用方式能夠根據要求將新的特定應用加速器下載到FPGA中,因而協助完成任何高性能應用。這一概念被廣泛應用於高級軍事多標準無線電設備,通常稱為軟體無線電(SDR)技術。採用SDR技術,透過簡單的按鍵就可以使一個無線電設備自動適應不同的無線電標準,這不僅有助於設備適應於未來的應用,也能減少執行不同任務時空閑的定製處理器的數量。這種軟體無線電技術也可以用於車載通訊和視訊應用。

FPGA在視訊處理和無線連接方面的靈活性還能節約設備成本,增加系統的價值。目前的基本架構需要ASSP才能支援每個新的視訊編解碼或無線標準。用一個FPGA替代多個ASSP可以減少汽車使用壽命期間必須配置和維護的次數。擴展車載娛樂系統的基本架構,使其包含FPGA就可以提供可程式的單一高階平台,因而涵蓋更寬範圍的視訊和無線標準和性能。這種方法同樣適合高級汽車娛樂系統架構使用。

Delphi Delco電子系統公司發佈了先進的汽車娛樂系統架構範例。該平台採用了一個標準的SH-4微處理器和一個日立的HD64404‘Amanda’ASIC元件,提供了80%中級汽車市場所需的基本功能。該系統提供了一個帶標準API層的通用控制處理器,可以對硬體週邊設備和協同處理器進行抽象。ASIC提供基本的周邊元件功能和一體化的圖形處理器,這種圖形處理器可以支援交互圖形和擴展功能,但不能提供視訊編解碼或其它DSP功能。該系統提供了所有娛樂設備所需的基本功能,但仍需要額外的ASIC或ASSP才能完成視訊編解碼和無線通訊。

Delphi架構中的Amanda晶片(見圖1,2)使用了兩條處理匯流排,即用於視訊處理等高性能數據流的Pixel匯流排以及控制用的暫存器匯流排,這兩條匯流排都相連於SH-4 MPX匯流排和外部記憶體介面。匯流排和記憶體介面的這種完美組合可以很好地支援基於FPGA協同處理器的靈活視訊編解碼和無線通訊平台。

FPGA協同處理可使FPGA與控制或DSP處理器緊密整合在一起,因此可以分擔大部份演算法處理任務,同時保留標準編程介面於控制處理器上。當演算法的主要數據流駐留於FPGA或相關記憶體上時,這種整合的執行效果最佳。演算法是由來自於控制處理器的緩慢控制訊號控制。

該類型架構可以應用於無線通訊,它能透過單個FPGA支援GSM/EDGE、WCDMA、1xEVD0中的數位處理以及各種802.11標準。其它方案只能是針對每個標準做專門的硬體設計,但這樣做會成倍增加成本和電路板面積。

另外,在圖像處理中應用FPGA協同處理後可以由單個FPGA完成包含MPEG2、MPEG4和H.264在內的多標準視訊編解碼。事實上,這?可以使用與無線通訊應用中相同的FPGA。

FPGA協同處理器透過直接記憶體存取(DMA)介面與基於處理器的系統整合在一起。執行於嵌入式處理器上的軟體層為每個協同處理器提供一個應用介面,每個協同處理器都有一個初始化例程,可以透過正確的應用協同處理器加載FPGA。在應用程式初始化後,軟體就調用協同處理器控制參數、時序和數據流進出協同處理器。根據具體的實現標準不同,在FPGA協同處理器和控制處理器之間可能會有高等級的交互,也可能FPGA協同處理器完全獨立工作。在這種情況下,控制處理器只是簡單地加載演算法,然後就處於獨立執行狀態。

加載進FPGA的每個程式映像(program image)需要整合進周邊系統中。FPGA的可程式功能需要一個定義完善的系統介面才能實現,因為每個基於FPGA的加速器都要依賴於它才能完成通訊。通常FPGA會有多個介面連接控制器、記憶體及其它周邊元件或連接器。FPGA可能同時包含多個協同處理器,這些協同處理器共享一個連接控制處理器的介面。每個周邊元件或協同處理器可以擁有額外的匯流排用於高性能數據流處理。

在視訊編解碼器中,一般有一個輸入源和一個輸出目標。Delphi系統架構中的視訊輸入介面是Amanda ASIC的一部份,並採用ITU-R BT.656介面用於視訊流。這個介面以後可以透過ASIC進行擴展和管理,以適合不同種類的顯示螢幕。FPGA可能需要連接到其它2條匯流排,即ASIC晶片上的記憶體匯流排和主控制處理器的PCI/MPX匯流排。透過這三個連接,FPGA就能支援高頻寬的視訊和通訊應用。

FPGA可以為特定應用處理架構提供可再編程的平台,因而彌補主處理器的不足。然而,FPGA程式與標準處理器架構的程式具有本質的區別。FPGA可以提供帶可程式邏輯單元、佈線資源、DSP處理模組、記憶體和I/O的高性能硬體結構。FPGA的系統架構執行方式與標準ASSP基本相同,即系統的一些專用功能是透過硬體和軟體開發工具設計和實現的。這些工具的輸出是一種二進制映像文件,這些映像文件加載到FPGA中後將能確定所有可程式邏輯單元、佈線資源、DSP處理模組等的功能。主處理器可以在系統執行期間將這些二進制映像文件加載進FPGA。可以製作各種不同的程式映像來支援汽車資訊通訊系統中可能會用到的MPEG2、MPEG4、H.264、GSM/EDGE、WCDMA、1xEVDO、GPS、3D圖形加速器或其它演算法。根據用戶在娛樂系統中的選單選擇,特定應用程式可以由主處理器下載到FPGA中,然後接受主處理器的控制。

FPGA用於可程式功能要求良好定義的系統介面

主處理器對特定硬體加速器的控制一般是透過暫存器和記憶體介面完成,每個暫存器控制硬體加速器工作的某些方面。Delphi系統中默認的協同晶片就是這樣的,對於加載到FPGA的每個協同處理器架構來說也將是這樣。採用FPGA,對於處理像標準化暫存器和記憶體介面以控制編程到元件中的協同處理器這樣的任務來說是很容易的。這個標準介面可以定義如何向協同處理器讀寫數據、如何開始和停止讀寫、如何復位,並包含一套控制特定應作為業的暫存器。所有這些暫存器都是FPGA內部線性地址映射中的一部份,因此軟體實體元件驅動器很容易存取這些暫存器。

用於協同處理器的軟體實體元件驅動器的抽象等級要比用硬體實現的暫存器介面高。軟體驅動器提供了從系統的演算法參數到控制暫存器的映射,因此應用軟體非常容易編寫和維護。更高層模型元件驅動器在底層硬體實現變化過程中仍保持相當的可移植性。Delphi系統中的軟體架構可以支援軟體或硬體協同處理器來實現演算法,它提供了幾個抽象層,這些抽象層將在軟體或硬體中的演算法實現與實體實現分離開來。FPGA協同處理器非常適合Delphi的軟體和硬體架構。

FPGA被設計用於基本架構與Delphi系統架構類似的許多系統中。這些系統內含一個以上的控制或DSP處理器,並利用FPGA來加速那些需要高性能處理的任務。實現FPGA協同處理器的關鍵挑戰在於以下幾個方面:設計用於FPGA的不同的硬體加速器;硬體加速器與外部控制處理器整合;製作控制硬體加速器的軟體層。所有要求的硬體加速器包括用於視訊和通訊應用的主流演算法。這樣的應用今後會有廣闊的市場,而且這種市場發展後會培養更多的特殊標準知識產權(IP)硬體加速器專業設計公司,這些公司能夠提供可以直接用在先進的低成本FPGA中的現成演算法。另外,也可以購買針對MPEG2、MPEG4、H.264、WiFi和其它視訊與通訊標準設計商用IP模組。圖3就是Amphion公司推出的MPEG4解碼器IP模組框圖,適用於ASIC或FPGA中。

SOPC Builder的應用

下一步是將FPGA中的硬體加速器與用於控制、數據輸入和輸出的外部匯流排整合起來。設計工程師可以利用新型開發工具輕鬆地實現這一步。設計工程師可以使用Altera公司提供的系統整合工具SOPC Builder從可用的IP列表中選擇合適的IP模組。在選擇時工具會提供一份參數化選單,用戶可以在實現以前控制不同的架構選項。一旦參數設定後,模組就會包含在工程師準備整合的其它周邊元件和處理器列表中。當每個IP模組都選好並設定參數後,還需要將其整合進處理架構中。

SOPC Builder使設計工程師可以定義高性能的交換架構(switch architecture),並透過交換架構將各種硬體加速器和周邊元件與外部主處理器連接起來。在模組互連的直觀矩陣圖上透過點選滑鼠就可以完成這種開關架構的定義。在定義好之後,SOPC Builder就能自動組合各個IP,然後產生硬體描述語言的描述,並自動綜合成最終的FPGA程式。在執行期間將最終程式下載到FPGA,因而實現特定演算法的協同處理器。

硬體整合完成後,需要用軟體實體元件將高層軟體控制與用於控制硬體加速器的具體暫存器和記憶體映射架構分隔開。用於控制硬體加速器的暫存器和記憶體是參數化IP模組的標準組件。然而,多個周邊元件與加速器的整合需要一份在FPGA上實現所有可程式特性的暫存器和記憶體映射。SOPC Builder在將IP組裝進用戶定義的交換架構時能夠自動製作這樣的暫存器和記憶體映射。

每個IP模組都包含一套預先定義好的軟體實體元件驅動器,這些驅動器主要用於外部主處理器對IP模組的控制。SOPC Builder能夠自動組裝各個軟體實體元件驅動器,並自動將每個驅動器與被它控制的IP模組相關的暫存器和記憶體映射關聯起來。因此SOPC Builder能夠透過這種方式自動製作並整合FPGA協同處理器和控制處理器的硬體與軟體架構。SOPC Builder可以滿足FPGA快速發展的性能要求,並適應FPGA不斷增強在複雜系統實現中應用的能力。

推動FPGA技術快速發展的因素

可程式邏輯元件自從20年前推出以來得到了快速發展,已經從低水準的膠合邏輯發展成目前具有最低成本、最高可程式處理性能的元件。驅動FPGA性能和成本的二大關鍵要素是:FPGA架構的發展以及FPGA使用半導體技術的方式。FPGA架構提供的可程式邏輯單元陣列是與可程式佈線資源組合在一起的。在早期的低密度FPGA中,這種架構能完成簡單處理單元的互連。隨著FPGA密度的提高,陣列架構可以提供高度平行處理的能力。目前FPGA架構的整個處理陣列內包含有記憶體模組、DSP模組和可程式I/O,因此能夠輕鬆滿足汽車資訊處理系統的性能要求。

FPGA發展的另外一個重要驅動源是製程技術及其對性能和成本的影響。採用最新一代製程技術可以提高FPGA的密度和性能,降低FPGA的成本。同時,FPGA的廣泛應用反過來也促進製程技術的發展。FPGA對半導體製程技術的發展極具價值,因為它們使用的規則結構能夠在其生命周期的早期就投入量產。FPGA的規則結構非常方便產品缺陷測試中統計數據的收集,這對精確調整製程技術以達到更高製造良品率是非常重要的。FPGA和製程技術之間的共生關係不斷地提高著FPGA的密度,並降低元件的成本。因此相對專用ASIC和ASSP來說,目前Altera的Cyclone系列低成本FPGA在價格方面極具競爭性。

本文小結

汽車娛樂系統的技術和差異化在不斷快速發展。先進的系統架構服務於大部份主流汽車市場,並透過附加ASSP和軟體的支援實現高階產品的差異化。FPGA提供了高性能和靈活的協同處理平台,並將許多ASSP的功能整合進一個可再編程平台。FPGA協同處理器非常適合Delphi架構這樣的主流汽車娛樂架構。將FPGA協同處理器作為高階汽車娛樂系統架構的一部份後,汽車公司就可以透過軟體編程提供ASSP無法單獨提供的多種高階視訊和通訊性能。靈活的高階汽車娛樂架構利用FPGA可以在汽車銷售甚至整個汽車生命期內不斷實現新的功能。在銷售和售後階段增強汽車娛樂系統功能的能力可以提升汽車售中和售後的價值,而以前被租汽車的轉售價值仍是汽車製造商獲利的主要來源。

作者:Paul Ekas


高級產品行銷經理


Altera公司





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