FPGA在汽车娱乐电子应用中的参考设计
Altera公司汽车事业部技术行销经理 Joel Seely
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。
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。
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,展示了在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像之间半透明效果的IP功能。这些输入输出控制模块是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**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。
