基于 FPGA 靜態硬件的 ECU 設計

　　AUTOSAR 架構非常適合由 CPU、存儲器和可編程邏輯組成的嵌入式系統。ECU 平臺需要一個 CPU 或主機處理器來管理應用并處理分布在應用層的軟件組件中的不同功能。同時，MCU 層和部分基礎軟件層可以在可編程邏輯結構中的硬件中綜合。因此，除了能夠實現與 CPU 相連的標準外設，其它定制外設和協處理器也能夠在硬件中并存，并在軟件中完全或部分地加以管理。

　　另外從功能安全的角度來看，專用協處理器或內核處理器也非常適用，因為用它們實現功能可讓硬件從源頭避免干擾，即便要求冗余性，也能給系統設計帶來高靈活性。另外，居于中間的 RTE 層可以在分布于 FPGA 中的 RAM 模塊中，或者在嵌入在器件邏輯單元中的觸發器中以及外部存儲器中綜合。而且，RTE 信號接口經簡單設計就能夠同時進行讀寫操作（通過單端口存儲器）或限制架構僅進行讀操作或者寫操作（通過配有兩個獨立讀寫端口的單個雙端口存儲器），以防范干擾，比如 AUTOSAR 所定義的彼此對應的發送器和接收器軟件端口。

　　
圖2 將 AUTOSAR ECU 架構移植到 FPGA 平臺上

　　建議將基于 MCU 的 AUTOSAR ECU 架構移植到可擴展處理平臺 （EPP） 或者 FPGA 器件上，并在各層中確保清晰的系統分區，如圖 2 所示。位于 RTE 層以下的有操作系統 （OS）、存儲器協議棧、通信協議棧、I/O 協議棧等。位于 RTE 層以上的是軟件組件，它們用于實現應用并通過 AUTOSAR 接口與 RTE 進行通信。

　　由于 AUTOSAR 架構內在的復雜性，需要功能強大的嵌入式計算平臺才能進行部署。如今，典型的 ECU 設計基于運行在 MCU 平臺上的 32 位單核處理器。但是單核越來越難以提供所需的全部計算能力。而使用多核 CPU 需要通過多處理器總線和仲裁機制共享程序/數據存儲器，往往會導致高度復雜的解決方案，造成性能劣化。

　　作為這種方案的替代，我們提出了一種基于可編程邏輯的設計。這種設計只采用一個單核處理器來發揮主機 CPU 的作用，但配有更智能的外設、協處理器乃至從處理器。所有這些計算單元都可以在 FPGA 架構中例化為新的軟核處理器，比如賽靈思 PicoBlazeTM 和 MicroBlazeTM，從 FPGA 的專用 RAM 模塊運行自己的代碼（各個軟核處理器均分別配有專用程序存儲器），此外，也可例化為定制的硬件加速器。兩種方式的拓撲架構均由一個主機 CPU 和分擔 部分CPU 任務的智能外設構成，從而可降低系統復雜性。這樣，主機 CPU 負責管理軟件中的整個應用層，而定制外設則負責管理 BSW 層，這兩者以并行的方式彼此獨立地自動運行。此外，這種外設設計的方法的優點還在于能夠讓主機 CPU 的軟件執行更加線性化，即外設不會通過中斷服務程序產生過多的請求 CPU 關注的中斷。圖 3 顯示了這種系統的方框圖及其對應為 FPGA 器件中綜合的功能單元的組件細分情況。

　　
圖3? 在 FPGA 中部署的汽車 ECU 方框圖

　　FPGA 方法能夠實現與多處理器平臺相媲美的系統性能，且和單核處理器一樣簡單易用，這主要歸功于采用了可與主機處理器并行處理的功能強大的、自動化定制協處理器。

　　這種方法能夠實現與多處理器平臺相媲美的系統性能，而且就軟件開發和維護而言，和單核處理器一樣簡單易行。通過使用專用硬件構建可與主機處理器并行處理的功能更強大的自動化定制協處理器，就可實現這種最佳平衡。

　　從概念上來說，可以通過將這些系統架構用 RTE 接口劃分為頂層和底層兩個彼此獨立的主要層次來要簡化設計。頂層相當于 AUTOSAR 的應用層，由負責管理車輛中最終用戶功能的軟件組件構成。而底層則由硬件和基礎軟件乃至 RTE 鏈路構成。應用層從數值上來說，可代表約 90% 的車載高級功能，而且所有 RTE 以上的源代碼都可重復利用。

　　同時，底層包含能夠賦予頂層靈活性和多用性的全部功能。這即是說，底層可完成特定硬件平臺上所有可重用功能的定制化。這樣，頂層從本質上說是通過以有限狀態機 （FSM） 形態實現的算法來實現對某些車輛負載、傳感器和制動器的控制的一套軟件功能。這些算法由 CPU 循環執行，并在操作系統控制的軟件任務中調度。

　　底層還負責實現 CPU 連接的所有標準外設的驅動程序，例如 A/D 轉換器、PWM 控制器、定時器或者存儲器控制器，從而讓頂層的抽象具備可行性。底層負責管理那些需要得到實時響應的事件。在這方面可編程邏輯能夠起到一定的作用。其構想為：讓主機 CPU 將應用當作一個簡單的免受通常硬件造成的外部事件影響的軟件功能序列來處理，但要定期讀或寫 RTE 信號，讓 FSM 進行相應的調整。底層對硬件事件進行隱藏與管理，然后在 RTE 中對其進行預處理并更新特定信號，或作為結果，根據自身具體任務安排實時地執行特定的行動。

　　將定制硬件控制器連接至系統 CPU 可以最大限度地降低對共享資源的需求，只要這些控制器能夠自動運行。從操作系統的角度來看，這樣做有助于降低系統的復雜性（避免仲裁、時延、重試機制等）。

　　采用專用硬件的另一項優勢在于可以更簡便地實現一般在軟件中通過多線程才能實現的某些功能，因為硬件較軟件內在更具并行性。另外，這種靈活的硬件能夠采用并行和流水線硬件設計，將算法計算強度高的部分進行硬連接，而不是采用馮·諾伊曼 （Von Neumann） 計算機所采用的序列軟件方法，從而減少執行時間。