利用MCU和FPGA設計車載信息娛樂系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)與應用

汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，車載信息娛樂系統(tǒng)已經(jīng)不再是豪華轎車的獨有設施，越來越多的中低端轎車開始擁有自己的信息娛樂系統(tǒng)。然而，車載信息娛樂系統(tǒng)是一個高度集成的復雜系統(tǒng)，其中可以包括導航系統(tǒng)、影音系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、空調(diào)通風系統(tǒng)，以及其他車內(nèi)外舒適設備的控制系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)涉及的通訊網(wǎng)絡可以包括LINK_KEYWORD0、MOST、LIN、藍牙和其他無線網(wǎng)絡協(xié)議等。設計這樣一個復雜系統(tǒng)，不但要考慮系統(tǒng)的性能和成本，更要考慮設計的靈活性，以保持產(chǎn)品在快速變化的市場中的競爭力。

汽車電子系統(tǒng)要求溫度適應范圍大、有利于生產(chǎn)標準化和很長的設計壽命。車載信息娛樂系統(tǒng)是一個快速發(fā)展和適應各種用戶的系統(tǒng)，如果既要保持一個設計具有長的壽命又要有高度的靈活性，那么這種設計在軟硬件，特別是在硬件方面要有很強的可擴展性。

一般來說，車載信息娛樂系統(tǒng)具有復雜的人機界面(按鍵和旋鈕)，帶一個可以顯示地圖、影像和汽車信息的液晶顯示器，有時還會是觸摸屏。這種系統(tǒng)一般以一個高性能MCU為中心，加上各種標準接口以及一個視頻加速器件。

DSP、ASSP和FPGA都可以用來實現(xiàn)多種接口和視頻處理。DSP專為信號處理而設計，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圖像處理和無線通訊的要求。ASSP通常為某個標準的圖像處理和無線通訊而設計，換言之，它不具有適應多種標準的可編程性。FPGA同時具有高的運算能力和內(nèi)部邏輯的現(xiàn)場可編程性，它能夠適應車載信息娛樂系統(tǒng)的靈活性。另外，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場可編程性使之能夠代替很多原來要ASIC來實現(xiàn)的功能單元，這樣就給硬件設計帶來很大自由度。

應用MCU+FPGA的設計，軟件和外設硬件都可以在FPGA中變化，整個系統(tǒng)相當于一個很容易進行升級的軟件，改變硬件就像改變軟件一樣簡單。這樣的系統(tǒng)可以滿足從低端到中高端汽車電子產(chǎn)品的設計、測試和生產(chǎn)的要求。所以，基于MCU+FPGA的設計給車載信息娛樂系統(tǒng)帶來了很大的靈活性。

在確立了基本硬件框架之后，接著就要考慮基于這種框架的芯片的選擇。對于車載娛樂信息系統(tǒng)這樣一個復雜的人機交互系統(tǒng)，高性能和高安全的嵌入式實時操作系統(tǒng)是首選的軟件基礎。而該操作系統(tǒng)支持的芯片組將是MCU的主要候選者。目前，在汽車工業(yè)界普遍接受的組合是SH4(MCU)加上QNX(操作系統(tǒng))。

FPGA的選擇要相對容易一些，至少有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Quicklogic等五家公司的產(chǎn)品可以考慮。Xilinx和Altera是FPGA的行業(yè)領袖，他們的產(chǎn)品應用廣泛，有大量的標準庫可以采用。圖1的框圖是一個硬件的基本構(gòu)成示意圖。

考慮了硬件之后，軟件的架構(gòu)就變得明晰了。由于QNX支持POSIX規(guī)范，所以基于它編寫的模塊化的應用程序和應用開發(fā)庫具有良好的可移植性，這對支持同類軟件架構(gòu)的其他平臺的開發(fā)無疑是一件節(jié)約成本的好事。

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圖1：硬件的基本構(gòu)成示意圖

軟件架構(gòu)的概念設計實際上可以在操作系統(tǒng)明確之前就開始。軟件設計不一定非要遵從POSIX規(guī)范，而是要滿足系統(tǒng)的高性能、設計的模塊化、應用的可伸縮性和代碼的可重用性及可移植性。

通常一個基于MCU的復雜軟件系統(tǒng)應該定義以下的軟件層：

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(qū)動：所有和硬件相關的程序，如FLASH driver、CAN driver和圖形圖像驅(qū)動等；

OS：核心操作系統(tǒng)，負責提供資源管理和安全任務調(diào)度等服務，它甚至也可以包含一些高層次的驅(qū)動設備，如標準輸入輸出設備驅(qū)動等；

中間件：介于操作系統(tǒng)和應用程序之間的程序，如各種API和FPGA Loader等；

應用程序：具有高度可重用性的、完成特定功能的程序模塊，如媒體播放器和導航軟件。

在MCU+FPGA的架構(gòu)之下，每個和FPGA相關的應用程序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序之前將該應用程序映射到FPGA，然后該應用程序在FPGA上運行。根據(jù)應用程序的要求，MCU可以在完成映射之后，保持和FPGA強的或弱的通訊聯(lián)系。這種結(jié)構(gòu)部分解放了MCU，使之能夠有效地進行任務調(diào)度和資源管理，而FPGA也能夠在特定環(huán)境下高效運行。這種系統(tǒng)的另外一個好處就是非常穩(wěn)定且容易維護。運行在FPGA中的應用程序的不良動作或崩潰通常不會影響到運行在MCU中的操作系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)某個應用程序失效之后，操作系統(tǒng)可以從容地重新開始該應用程序的新例程，而不必重啟整個系統(tǒng)。

運行在FPGA中的應用程序，雖然看起來和普通運利用行在ASIC或ASSP中的系統(tǒng)并無區(qū)別，但是這些應用程序的結(jié)構(gòu)實際上有很大的區(qū)別。運行在ASIC或ASSP中的系統(tǒng)是根據(jù)已經(jīng)確定的具有特定功能硬件環(huán)境設計的，而運行在FPGA中的應用程序是根據(jù)將要完成的功能，自己調(diào)整FPGA的邏輯單元，使之能夠適應環(huán)境。正是FPGA這種現(xiàn)場可編程性，使我們能夠在適當?shù)臅r候啟動適當?shù)膽贸绦?，這大大增加了設計的靈活性。