FPGA平台架构提升信息娱乐系统设计灵活性

　　开发车载信息娱乐系统面临着前所未有的挑战。事实上，支持众多不一致甚至矛盾的要求需要采用全新的思路。设计基于FPGA的平台就是一种可行的解决方案，可通过设计灵活性来满足多样化的汽车要求。

　　对于那些想要达到新的期望值的OEM来说，问题在于改变整个供应链的基本行为，包括从如何建立信息娱乐系统架构到为这些系统提供的产品和服务。

　　这种压力又传递给了一级发动机控制单元(ECU)供应商，因为他们所服务的OEM坚持要迎合来自消费市场的产品要求，诸如要能够灵活地适应市场变化、降低成本以及不断缩短设计周期。在汽车市场中，这种变化的幅度是空前的，并且正在形成猛烈的风暴袭击一级供应商。一级供应商如果想在这一领域取得成功，就必须适应这种变化。

　　解决这个问题的一个途径是开发一种强大的、关注灵活性、可扩展性和可适应性的平台方案，这说起来容易做起来难。我们需要考虑这种灵活平台的两个方面：其一，最终产品本身的灵活性，以适应OEM用户对现场可升级的要求;其二，基础平台的可适应性，以便服务于大范围的、需求各异的OEM客户。

　　例如，OEM 1也许不关心所使用的底层硬件，只要硬件能够满足一系列功能要求即可;而OEM 2可能强制要求或至少强烈建议使用特定的芯片组。第2种情况是平台方案最难对付的，因为它有可能完全否定硬件，而且一级制造商的平台所选择的软件也可能不同。

　　问题是：我们需要全盘否定硬件平台吗?抑或能复用硬件平台元件?

　　构建平台架构

　　建立硬件平台架构一般有三个基本步骤。首先是选择最关键的组件，然后是围绕内部核心元件搭建外部“层“。一般来说，形成最终配置是一个反复实践的过程。

　　第一步是选择核心芯片组，主要考虑因素是成本、特性和性能，虽然设计人员在这个阶段也需要考虑其它重要因素，如硬件/软件复用以及公司战略或OEM要求。

　　在没有建立起所有层的架构以反映系统真实成本之前，通常不可能最终确定芯片组的选型。而外层所涉及的成本很多时候相当于甚至超过核心芯片组的成本。

　　第二步是解决所有遗漏的特性和功能。对硬件设计人员来说，一个理想的情况是，有现成的系统级芯片或芯片组包含了需要的所有特性和功能，并且价格合理，能够满足不同客户的需求。

　　不过，即使上述情形是可能的，但公司将如何实现有别于其它一级电子产品制造商的功能呢?也许更重要的是，公司将如何规划未知/潜在的特性?

　　这就引发了一个看似矛盾的问题——外围电路是可以提供产品差异化的最好机会，并能满足可扩展性和可复用性;但人们又在尽量避免它，因为外围电路的设计和选择是一个反复的过程，类似于一个非常复杂的拼图过程。

　　围绕核心芯片组的外围器件所执行的功能非常广泛，包括连接性(补充主芯片组遗漏的接口)、协处理/加速(从主芯片组卸载处理任务)和接口转换(弥补主芯片组上不合适的接口)。

　　设计人员试图寻找能够满足特定功能并且价格可接受的合适器件，但他们经常到处碰壁，因为解决架构中某个部分的问题会导致另一个部分出现问题。即使确定了可接受的器件，也还会遇到汽车认证或长期可用性方面的问题。

　　尤其是对于信息娱乐系统架构，设计人员必须综合考虑到很多方面，比如音视频的源端和接收端、有线和无线、显示器、消费者端口连接和存储，以及后端汽车网络等。

　　上述内容涉及到汽车头部单元中的各种子系统，而这些头部单元正是信息娱乐系统的中心硬件组件。

　　今天，实现系统设计所要求的全部接口数量——尚不包括服务于每个接口所需的性能——正在呈爆炸式增长，因此对核心芯片组的特性和性能也提出更高要求。

　　FPGA解决方案

　　目前已经有数代信息娱乐系统架构平台使用了FPGA器件，这些FPGA担负着主处理器或芯片组的支撑(或补充)作用。在这种角色中，FPGA一般被称为配套芯片。有经验的用户已经认识到，FPGA不仅可以用来弥补架构中的漏洞，而且还能更多地被用作核心元件，为基础架构增加更多的灵活性和可扩展性。

　　这样做通常要求在架构定义的早期阶段就要引入FPGA，并将FPGA归类为核心芯片组中的一个元件。这样，设计人员就能在内存子系统、系统启动时序、通用系统性能和平台总体成本等方面获得各种系统级的益处。

　　一些芯片组具有内置扩展能力，例如带有PCIe或其它专用串行/并行接口的芯片组。有些芯片组没有专门的内置扩展功能，设计人员不得不使用替代性接口，如USB或SD端口。这意味着FPGA必须能够通过其中一种解决方案支持一种接口，但代价是创建接口需要一定的时间和知识储备。

　　赛灵思联盟合作伙伴Xylon公司已经开发出一种知识产权(IP)基础包，可以实现连接不同接口所要求的“管道”，从而有效解决数据出入主系统的问题。由于无需了解一个特定主机接口的规范，因而设计人员可以从容地专注于设计的应用方面。

　　既然快速改变主机接口是可能的，那什么时候适合做出改变呢?在许多情形下，调整平台是有用的方法。将基础平台从低端产品调整到高端产品也许就是一个很好的例子。后者可能有要求高带宽的应用接口——例如视频输入——因此PCIe是必要的。

　　在同一系列的低端产品中，也许不要求视频输入，此时带宽需求将显著下降。这时最具成本效益的架构是使用对主机接口要求较低的应用接口，例如USB或SD。

　　FPGA的灵活性和可扩展性是与生俱来的。在本例中，FPGA本身可以调整到采用相同封装或不同封装的更小器件。