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處理器/DSP  

採用MCU和FPGA靈活設計車載資訊娛樂系統

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MCU  FPGA  Car Infortainment System  車載資訊娛樂系統 

隨著汽車產業蓬勃發展,車載資訊娛樂系統已經不再是豪華轎車的獨有設備,越來越多的中低階轎車開始擁有自己的資訊娛樂系統。然而,車載資訊娛樂系統是一個高度整合的複雜系統,可內含導航系統、影音系統、電話系統、空調系統以及其他車內外舒適設備的控制系統等,這些系統涉及的通訊網路可包括CAN、MOST、LIN、藍牙和其他無線網路協議。設計這樣一個複雜系統,不但要考慮系統的性能和成本,更要考慮設計靈活性,以保持產品的競爭力。

汽車電子系統要求溫度適應範圍大、有利於生產標準化和更長的設計壽命。車載資訊娛樂系統是一種快速發展和適應各種用戶的系統,其軟硬體,特別是在硬體方面必須具備很強的可擴展性。

一般來說,車載資訊娛樂系統具有複雜的人機介面(按鍵和旋鈕),通常具備一個可顯示地圖、影像和汽車資訊的液晶顯示器或觸控式螢幕。這種系統通常以一個高性能MCU為中心,並採用各種標準介面及視訊加速元件。

DSP、ASSP和FPGA都可用來實現多種介面和視訊處理。DSP專為訊號處理而設計,具有靈活度高和功耗低的特點。然而,目前DSP的運算能力尚不能同時滿足更高的影像處理和無線通訊要求。ASSP通常是針對某個標準的影像處理和無線通訊所設計,換言之,它不具有適應多種標準的可編程性。FPGA同時具有強大運算能力和內部邏輯的現場可編程性,它能適應車載資訊娛樂系統的靈活性。另外,FPGA的現場可編程性使其能取代許多原先需要ASIC實現的功能,為硬體設計帶來更大的自由度。

採用MCU+FPGA的設計,軟體和週邊設備硬體都可以在FPGA中變化,整個系統相當於一個很容易進行升級的軟體,改變硬體就像改變軟體一樣簡單。這種系統可以滿足從低階到中高階汽車電子產品的設計、測試和生產要求。所以,基於MCU+FPGA的設計為車載資訊娛樂系統帶來了更大的靈活性。

在確立了基本硬體框架之後,接著就要考慮晶片的選擇。對於車載娛樂資訊系統這種複雜的人機互動系統,高性能和高安全的嵌入式即時作業系統是首選的軟體基礎。而該作業系統支援的晶片組將是MCU的主要候選者。目前,在汽車產業界普遍接受的組合是SH4(MCU)加上QNX(作業系統)。

FPGA的選擇則較容易,目前有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Quicklogic等公司提供產品。圖1為硬體的基本構成示意圖。

考慮了硬體之後,軟體的架構就很清晰了。由於QNX支援POSIX規格,所以以其為基礎編寫的模組化應用程式和應用開發庫也具有良好的可移植性,這對支援同類軟體架構的其他平台的開發來說,無疑是一項可節省成本的優勢。

軟體架構的概念設計實際上可以在確定作業系統前就開始。軟體設計不一定要遵從POSIX規格,而是要滿足系統的高性能、設計模組化、應用的可伸縮性和程式碼的可重用性及可移植性。

圖1:硬體的基本構成示意圖。
圖1:硬體的基本構成示意圖。

通常,一個基於MCU的複雜軟體系統應該定義以下軟體層:

BSP:處理和MCU初始化相關的事務,如IPL(Initial Program Loader)和Startup Program等;

設備驅動:所有和硬體相關的程式,如FLASH driver、CAN driver和繪圖影像驅動等;

OS:核心作業系統,負責提供資源管理和安全任務調度等服務,它甚至包含一些高層次驅動設備,如標準輸入輸出設備驅動等;

中介軟體:介於作業系統和應用程式之間的程式,如各種API和FPGA Loader等;

應用程式:具有高度可重用性的、完成特定功能的程式模組,如媒體播放器和導航軟體。

在MCU+FPGA的架構之下,每個和FPGA相關的應用程式都自帶一個初始化例程。該初始化例程在需要啟動該應用程式之前將該應用程式映射到FPGA,然後該應用程式在FPGA上執行。根據應用程式的要求,MCU可以在完成映射後,保持和FPGA強的或弱的通訊聯繫。這種結構部份解放了MCU,使之能夠有效地進行任務調度和資源管理,而FPGA也能夠在特定環境下高效執行。這種系統的另外一個好處就是非常穩定且容易維護。執行在FPGA中的應用程式的不良動作或崩潰通常不會影響到執行在MCU中的作業系統。在發現某個應用程式失效之後,作業系統可以從容地重新開始該應用程式的新例程,而不必重啟整個系統。

執行在FPGA中的應用程式,雖然看起來和普通執行在ASIC或ASSP中的系統並無區別,但是這些應用程式的結構實際上有很大的區別。執行在ASIC或ASSP中的系統是根據已經確定的具有特定功能硬體環境設計,而執行在FPGA中的應用程式是根據將要完成的功能,自己調整FPGA的邏輯單元,使之能夠適應環境。正是FPGA這種現場可編程性,使我們能夠在適當的時候啟動適當的應用程式,這大幅增加了設計靈活性。

作者:

謝文盛

高級軟體工程師

Email:wxie@harmanbecker.com

哈曼貝克汽車多媒體系統(深圳)有限公司




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