FPGA参考设计在汽车图形系统中的应用

汽车娱乐电子推动了功能和容量的快速发展，促使设计人员在性能、成本和灵活性上做出综合考虑。与其他汽车电子领域不同，多媒体图形应用高度可视化，其需求多变，在许多情况下甚至还没有建立标准。汽车设计人员需要一个能够提供最灵活、性能最佳而成本可控的解决方案。可编程逻辑，特别是现场可编程门阵列(FPGA)便是这样的解决方案。

在以前，专用集成电路(ASIC)能够为制造商提供成本效益较好的芯片方案，因此，汽车图形应用在半导体方面一般选用ASIC。但是，ASIC开发成本不断攀升，降低批量价格、快速面市的要求以及功能复杂性的提高可能会预示着汽车市场中ASIC统治时代的结束。顶级汽车供应商正在寻找一种最具成本效益的设计平台，其强大的功能和灵活性能够满足越来越复杂的汽车数字系统的需求。

专用标准产品(ASSP)在汽车和消费类市场上是ASIC的一种替代方案。这类产品的主要优势在于低成本。但是，ASSP具有隐含的成本，如寻找各种功能都合适的ASSP，而不必添加外部逻辑、软件以及其他ASIC或者ASSP。而且，随着需求的不断变化，在设计早期可能不需要ASSP，设计一旦投产之后，便不再采用ASSP。

FPGA能够显著缩短工程开发时间，降低多芯片重复使用成本，成为汽车图形应用中替代ASIC和ASSP的功能强大而又灵活的解决方案。ASSP可能会丢失所需功能，ASIC则有随着设计修改而必须重制的风险，而FPGA在设计过程中，可以进行编程，并根据需要重新编程，实现更快速的原型设计，加快产品面市。如果需求变化，即使是器件已经在车辆中投入使用了，FPGA也可以现场进行更新。FPGA不存在预先的ASIC流片(NRE)成本以及最小订购量问题，也不存在ASSP相关的潜在成本问题，它是系统设计最具成本效益的选择。而且，FPGA在通用硬件平台上能够重复使用的能力显得非常重要，使设计人员能够生成不同的系统，凭借一个基本设计便可以支持多种功能，从而降低制造成本。

FPGA参考设计推动汽车图形技术

信息娱乐应用要求越来越复杂的图形处理能力。这种处理可以在高端处理器和DSP中实现，但代价是极高的成本、复杂度和功耗。可以在系统中加入FPGA来降低图形系统的总成本、复杂度，以及性能需求。图1所示为一个标准的图形参考设计，该设计承载视频输入，覆盖LCD屏幕上显示的其他图像。

 

 

图1： 采用FPGA和主机处理器的汽车图形控制系统

该参考设计在Altera Cyclone™ FPGA中实现了一个视频输入模块和LCD图形控制器，展示了汽车市场需要的低成本应用中，FPGA所具有的强大功能和灵活性。参考设计运行在Altera Nios II嵌入式处理器开发板上，并加入了用于实现相机/视频输入、输出显示驱动电路的模块。

视频输入模块包括一个前端相机接口和用于色彩空间转换、调整和缩放的IP，以及视频存储器接口。LCD显示接口包括控制不同层之间以及图象之间半透明效果的IP功能。这些输入和输出控制模块是Altera SOPC Builder系统的组成部分，该系统用于将所有IP模块进行无缝连接。OpenGL-E图形库子集运行在主机CPU中。该库提供处理和表征位图、帧缓冲访问和图形基元绘图的所有功能。

由于进行透视操作、旋转、绘制直线和多边形、纹理操作以及相似的任务时，这些扩展图形应用会占用大量的计算，因此，可能会需要一个功能非常强大的主机CPU来实现OpenGL图形库。FPGA可做为一个协处理器架构，卸载主机CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

 

 

图2： 带有硬件加速协处理器的图形控制系统

图2显示了在参考设计系统中加入图形加速协处理器的实例。该协处理器可承载多种算法，如：

●直接blit、拉伸blit、透明、双线性滤波、每象素alpha、着色、抗锯齿处理等位块图像传送(BLIT)操作

●任意宽度直线绘制、圆角、截角、alpha梯度、图像边缘模糊(模糊化)

●三角形、四边形等多边形绘制、alpha梯度、图像边缘模糊(模糊化)

●圆、椭圆和二次曲线截面绘制

●生成二次和三次Bézier曲线

加入协处理器后，对主机CPU的CPU要求会显著降低。当然会使用更多的FPGA资源，但是系统设计人员可以自由选择在硬件中采用何种算法，具体在软件中采用哪种以优化大部分关键系统要求(速度、功耗、成本等)。

我们可以进一步延伸该卸载范例，采用FPGA中实现的处理器将其他处理任务放在FPGA中。这样还具有减少系统元件和外部主机CPU的优点。图3显示了如何在FPGA中采用Nios II处理器实现其余软件控制任务(如抗锯齿处理和OpenGL兼容等)的图形参考设计。

 

 

图3： 在FPGA中实现带有主机CPU的图形控制系统

平台概念——多种小变化

通过在汽车图形系统中采用FPGA，相同的平台可用于解决不同的市场需求。图4显示了怎样以单个通用平台开始，进行多种变化来满足不同的市场需求，而不必重制ASIC或者建立并调试新的电路板。

 

 

本文阐述的多种汽车参考设计说明了这种概念是如何工作的。根据市场需求，采用单个工作参考平台来实现多种图形控制器模块衍生。通过使用标准IP和参考设计，开发团队能够将精力(和花费)集中在如何使产品领先于竞争对手，满足客户的要求，而不必耗费在基本编程上。而且，使用FPGA并不排除以后采用ASIC。由于所有的基本IP在未来器件系列中可以重复使用，因此FPGA中实现的设计可以移植到Altera HardCopy器件等结构化ASIC或者完全定制的ASIC中。

结论

在发动机仓、乘客车厢内以及外部诊断系统中，FPGA为成功的系统设计提供了灵活的低风险途径——降低了制造的复杂性，实现了最佳成本效益。FPGA可用作简单胶合逻辑以及不同组件间的接口桥接——有助于实现标准组件、微处理器和系统总线间的通信。FPGA还可以扩展特性，集成内核系统功能以替代ASSP和ASIC。

当考虑到不断增加的复杂度和及时面市的压力时，尽管汽车应用需要合适的ASIC以实现大批量产品，但是FPGA仍旧能够满足甚至超越总工程成本目标。FPGA中实现的低成本结构和丰富的器件资源组合使设计人员能够为这种批量产品应用提供全面而又经济的解决方案。而且，由于FPGA所具有的灵活性，不必对整体平台进行昂贵的重新设计，便可以迅速改进这些设计以满足多变的市场需求并细化产品。