集成了數據通信，定位服務和視頻娛樂的高端汽車信息娛樂系統需要高性能的可編程處理技術，其最佳實現方法是在主流汽車信息通信系統構架中集成FPGA協處理器。本文講述汽車娛樂系統的需求，討論主流系統構架，以及FPGA協處理器是如何集成到軟硬件體系中，以滿足高性能處理、靈活性和降低成本的要求。

娛樂電子消費已經成為區分豪華轎車的標志之一，推動了汽車性能的快速發展，設計者必須在性能，成本和靈活性上進行綜合考慮。高端應用包括衛星電話，后座娛樂，導航，各種音頻回放，語音合成、識別以及其他新的應用。

帶動汽車娛樂系統發展的核心技術同先前的汽車應用有顯著的不同。不同于其他領域的汽車電子消費，這些娛樂應用要高度的可視化，并且需求變化很快。此外，過時的娛樂系統將是新車賣不動的主要原因，也是汽車轉售和租賃的主要障礙。

傳統的汽車電子消費主要滿足一般標準，例如長的換代周期，低成本和長期的溫度要求。這些要求也是汽車娛樂系統所需的。在汽車設計上，設計者面臨長換代周期中經歷系統性能快速發展的挑戰，而不再是長換代周期中的小改進。新的需求使得系統結構必須具有靈活性和很好的性能表現，而這在基于專用標準產品(ASSP)的傳統應用系統結構架中是無法實現的。

現在的基本車內娛樂系統要求能夠支持具有圖形人性界面的平面顯示系統，能夠顯示動態地圖和汽車信息。這種系統圍繞高度標準化的微處理器實現，周圍是各種標準接口和支持低端圖形處理的簡單硬件加速設備。它雖然以非常低的成本滿足了中等汽車娛樂系統的市場需求，但是可以擴展到頂級豪華轎車的高端應用上。頂級應用包括視頻圖像和通信。各種支持這些應用的標準(視頻：MPEG2，MPEG4，H.264;通信：GSM/EDGE，WCDMA，1xEVDO，衛星電話，衛星電視，數字視頻廣播和WiFi)均基于多種信號處理算法。這些算法要求非常高的可編程處理能力。現在有三種半導體技術可以實現這些非常復雜的算法。

這三種技術是可編程數字信號處理器(DSP)，專用標準產品(ASSP)和現場可編程門陣列(FPGA)。DSP為信號處理應用提供了性能很高的可編程處理器。DSP處理器非常靈活，功耗低，成本效能高，但是缺乏硬件加速能力，無法為現在的尖端圖像處理和無線通信算法提供所需的計算功能。ASSP通常含有DSP處理器，為單個視頻或通信標準提供較好的解決方案，但是不能法通過編程來實現不同的標準要求。而FPGA同時具有很高的信號處理能力和可編程能力，能夠滿足很多標準和應用場合的要求。與其他兩種技術不同，高性能、靈活的FPGA技術可以實現各種可能的算法。

前面所講的信息通信系統需要額外的處理芯片以滿足高端應用。這些芯片一般是在存儲器或視頻處理總線上集成了處理器的ASIC和ASSP，成為專用協處理器。FPGA應用上的強大之處在于對這種專用硬件的替代。FPGA和處理器配合使用，一般稱為FPGA協處理器。以這種方式使用FPGA可以使新的專用加速器按需求下載到FPGA里，應用于任何高性能場合中。在高級軍事多標準無線電中，這種概念被廣泛采用，稱為軟件無線電(SDR)。SDR系統中，一個簡單的無線單元以“一鍵式”方式自動適應不同的無線標準，可以應用于面向未來的裝備中。這種方式還減少了處理器的數量，這些處理器在系統執行不同任務時，往往處于空閑的狀態。軟件無線電技術可以應用于汽車市場的通信和視頻領域。

FPGA在視頻處理和無線連接上的靈活性同樣可以降低成本，提高系統價值?，F在的基本構架需要為每個新的視頻編解碼器或者無線標準附加ASSP。以一個FPGA代替多個ASSP可以減少系統必須配置的各種體系結構，延長汽車的使用壽命。在基本車內娛樂系統構架中擴展使用FPGA可以使單個高端平臺通過編程滿足寬視頻和無線標準的要求。這同樣可以應用于高級汽車娛樂系統系統中。

一個前沿的汽車娛樂系統體系結構實例已經由Delphi Delco電子系統公司出版。該平臺利用標準的SH-4微處理器和一個協同ASIC，日立的HD64404“Amanda”外設12,，滿足了80%的中等汽車市場的基本功能需求。該系統提供了一個具有標準API層的通用控制處理器，將硬件外設和協處理器分離。協同ASIC提供了外設和集成圖形處理器的基本功能。圖形處理器支持圖形和比例函數的交互，但是不能實現視頻編解碼器功能或其他的DSP應用。該系統為所有的娛樂應用提供了基本功能，但仍需為視頻編解碼器和無線通信功能附加ASIC和ASSP。

Delphi體系中的Amanda協同芯片采用雙處理總線，Piexl總線用于視頻處理等高性能數據流，而Register總線進行控制應用。這兩個總線都連在SH-4 MPX總線和一個外部存儲接口上?？偩€和存儲接口的結合使用為基于FPGA協處理器的無線通信平臺和靈活的視頻編解碼器提供了理想的接口。

協處理技術將FPGA和控制器或者DSP處理器緊密結合，使它們不再陷于主要的算法過程，而將標準的程序接口駐留在控制處理器中。這種集成方式非常適用于主要數據流或者算法駐留在FPGA或相關存儲器的情況。算法由控制處理器產生的低速控制信號進行控制。

這種體系結構可以應用于無線通信，以單個FPGA支持GSM/EDGE，WCDMA，1xEVDO和各種802.11協議中的數字處理。否則，對每一個標準都需要特定的硬件設計，從而增加了成本，限制了應用范圍。

此外，FPGA協處理技術，可應用于圖象處理，能夠以單個FPGA支持包括MPEG2，MPEG4和H.264在內的多路視頻編解碼器。實際上，可以同樣采用無線通信技術中使用的FPGA。

FPGA協處理器通過基于直接內存讀寫(DMA)的接口，集成在處理器系統中。嵌入式處理器的軟件層對每一個協處理器都有應用接口，通過適當的應用協處理器，將初始化程序寫入到FPGA中。一旦初始化完成后，軟件調用協處理器控制參數，時序和輸入、輸出數據流。根據采用的不同標準，在FPGA協處理器和控制處理器之間可能需要高級的通信對話，也可能FPGA協處理器單獨進行工作，在這種情況下，控制處理器簡單的將算法加載后，便不再參與處理過程。

每個加載到FPGA上的程序都必須同周圍系統緊密結合。采用FPGA進行編程，需要一個定義好的系統接口，每個基于FPGA的加速器通過它進行通信。一般而言，FPGA需要多個接口連接到控制處理器，存儲器和別的外設或者連接器上。FPGA也可以同時有幾個協處理器，共享一個控制處理器接口。每個外設或者協處理器可以有附加總線，進行高性能的數據流處理。

視頻編解碼器具有相應的輸入和輸出。Delphi體系結構的視頻輸入接口是Amanda協同ASIC的一部分，對視頻流采用ITU-R BT.656接口標準?？梢赃M行后級處理，使用ASIC以適用于不同的顯示屏。FPGA可能需要連接到另外兩個總線上，即存儲器總線和主控制器的PCI/MPX總線，它們都與協同芯片相連。通過這三個連接，由存儲接口實現寬帶通信，PCI/MPX總線實現控制通信，這樣，FPGA可以支持視頻和通信應用。

FPGA為協同主處理器工作的專用處理體系提供了一個可編程平臺。FPGA程序與標準處理器體系的程序有根本不同。FPGA提供了可編程邏輯單元，布線，DSP處理模塊，存儲器和I/O的高性能硬件結構。FPGA的體系結構運行起來同標準的ASSP非常相似，都是通過軟硬件開發工具設計實現系統的特定功能。這些開發工具輸出的二值圖樣裝入到FPGA中后，定義了所有可編程邏輯單元，布線，DSP處理模塊等的功能。二值圖樣在系統運行時，由主處理器加載?？梢援a生各種程序圖樣以支持MPEG2，MPEG4，H.264，GSM/EDGE，WCDMA，1xEVDO，GPS，3D圖形加速器或者任何其他可用于汽車信息通信系統的算法。根據娛樂系統中不同的用戶菜單選項，專用程序由主處理器下載到FPGA中，并處于主處理器的控制之下。

由主處理器控制專用硬件加速器，一般通過寄存器和存儲接口實現，每個寄存器控制部分硬件加速器的運行。這適用于Delphi系統的默認協同芯片，也適用于下載到協同FPGA中的協處理器體系。通過使用FPGA可以直接將寄存器和存儲器接口標準化，以控制任何編程實現的協處理器。標準化的接口可以定義怎樣讀取和寫入協處理器數據，怎樣開始和停止這一過程，怎樣進行復位，并包括了一組寄存器實現控制專用操作。所有這些寄存器都是FPGA內線性地址映射的一部分，這樣，軟件物理器件驅動器能夠很容易的讀取寄存器。

協處理器的軟件物理器件驅動器與硬件寄存器接口相比，具有更高級的抽象功能。軟件驅動器實現了系統算法參數到控制寄存器的映射，因此可以很容易的編寫和維護應用軟件。底層的硬件改變時，高層的模型器件驅動器可以保持不變。Delphi系統中的軟件體系提出了幾個抽象層，將算法實現從其軟硬件物理實現中分離出來，為軟件或硬件協處理器算法提供了強有力的支持。FPGA協處理器非常適用于這種Delphi軟硬件體系。

FPGA可以設計應用到許多基本體系和Delphi結構相似的系統中去。這些系統包括一個或者多個控制器或DSP處理器，可以使用FPGA加速實現需要高性能處理的任務。實現FPGA協處理器的關鍵在于為FPGA設計不同的硬件加速器，外部控制處理器集成硬件加速器，產生進行硬件加速控制的軟件層。所需硬件加速器應用包括視頻和通信的主流算法。這些應用有廣闊的市場，已經開始服務于那些致力于設計標準專用知識產權(IP)硬件加速器的專業公司。這類公司提供通用算法，直接應用到先進的低成本FPGA上?？梢灾苯淤徺I商用MPEG2，MPEG4，H.264，WiFi的IP模塊，以及許多其他的視頻和通信標準IP模塊。

圖2的例子是Amphion公司的MPEG4解碼器IP模塊，適用于ASIC或FPGA應用場合。

下一步是在FPGA中集成硬件加速器，利用外部總線進行控制，數據輸入和輸出。設計者可以使用一種新的開發工具，很容易的實現這種集成。利用來自Altera的系統集成工具--SOPC Builder，設計者從可用的IP列表中選擇合適的IP模塊。進行選擇時，參數化菜單顯示不同結構的選項，這些選項由使用者在執行前進行設置。設置好參數后，模塊便被包含到別的外設列表中，處理器由工程師進行集成。每個獨立IP模塊被選擇并參數化后，他們將被集成到處理體系中去。

設計者使用SOPC Builder可以定義高性能的交換結構，將各種硬件加速器和外設連接到外部的主處理器上。這種交換結構通過鼠標點擊直觀的模塊連接矩陣來實現。體系結構定義好之后，SOPC Builder自動將各種IP綜合到一起，產生HDL描述，自動綜合到最終的FPGA程序里。系統運行時，最終的程序下載到FPGA中，實現承載專用算法的協處理器功能。

硬件集成完成后，軟件物理器件驅動器將高級軟件控制從指定的寄存器和用于控制硬件加速器的內存映射體系中分離?？刂朴布铀倨鞯募拇嫫骱痛鎯ζ鞫际菂祷疘P模塊的標準元件。多個外設和加速器的集成需要具有FPGA可編程特性的寄存器和內存映射。SOPC Builder在將IP集成到用戶定義的交換體系中時，自動生成寄存器和內存映射。

每個IP模塊包括一套定義好的軟件物理器件驅動器，用于外部的主處理器對IP模塊控制。SOPC Builder自動將各種軟件物理器件驅動器集成在一起，并使每個驅動器和進行IP模塊控制的寄存器及內存映射相關聯。SOPC Builder以這種方式自動產生FPGA協處理器和控制處理器的軟硬件體系結構，并把它們集成到一起。SOPC Builder為滿足快速發展的FPGA技術而開發，以實現各種復雜的系統。

可編程邏輯器件誕生20年以來，由最初低水平的膠合邏輯，快速發展到現在的低成本、高性能的可編程處理器件。兩個關鍵因素促進了FPGA性能和成本的進步：FPGA體系結構的發展和FPGA半導體生產工藝的發展。FPGA體系結構已經發展到能夠將可編程邏輯單元和可編程布線集成為陣列的形式。在早期的低密度FPGA中，僅將簡單的處理單元進行連接。隨著FPGA密度的增加，陣列結構實現了大量的并行處理功能。FPGA體系結構包括存儲模塊，DSP模塊和遍及整個處理陣列的可編程I/O。現在的處理體系結構很容易滿足汽車信息通信的性能要求。

另一個推動FPGA發展的關鍵因素是生產工藝技術，以及它對性能和成本的影響。FPGA利用最新的生產技術來增加密度，提高性能并降低成本。同時，FPGA也促進了工藝技術的發展。FPGA在半導體工藝技術的發展中，具有重要的作用，這是因為在其早期的生產中，采用普通結構，生產了大量的產品。FPGA采用普通結構可以對產品缺陷進行很好的統計測量，這對仔細調整生產工藝技術以獲得高產非常重要。FPGA和生產工藝技術的相互促進發展大大增加了FPGA的密度，同時降低了元件價格。因此，現在的低成本FPGA，例如Altera的Cyclone系列器件，可以和專用ASIC和ASSP在價格上相競爭。

汽車娛樂系統正在快速發展，技術不斷進步，成為區分汽車等級的標志。前沿的系統體系結構服務于主流汽車市場，附加ASSP和軟件可以支持高端市場。FPGA提供了性能互補的和靈活的協處理平臺，將許多協同ASSP加強到同一個可再編程平臺上。FPGA協處理器，例如前面提到的Delphi體系結構，非常適合于主流的汽車娛樂系統。汽車生產公司采用FPGA協處理器作為高端汽車娛樂系統的一部分，可以通過軟件編程提供許多高端視頻和通信功能，而這僅由ASSP是無法實現的。在高端靈活的汽車娛樂系統中使用FPGA可以在汽車上市以及汽車的整個生命周期里，實現向上促銷的銷售新模式。在汽車上市和以后的使用中，具有娛樂系統的汽車可以提升其自身的銷售價格。娛樂系統還是對以前出租過的汽車進行估價的重要衡量因素。

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