汽車產(chǎn)業(yè)利用可重配置硬件技術(shù)，可靈活地綜合車載功能。

　　當今的汽車制造商正在把越來越多的高級功能添加到汽車電子控制單元 （ECU）中，以改善駕駛體驗，增強安全性，當然還期望超過同類競爭產(chǎn)品的銷量。在這種情況下，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) （AUTOSAR） 計劃和功能安全國際標準 ISO26262 正在快速成為汽車 ECU 設(shè)計的技術(shù)和架構(gòu)基礎(chǔ)。

　　為了滿足新車型日益提高的功能需求，汽車電子產(chǎn)品的密度不斷增大，FPGA 廠商也正在不斷推出更大型的器件。這些器件能夠集成所有的應(yīng)用，而且與前代器件相比，功耗更低，價格更具競爭力。這種趨勢意味著可重配置計算技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)將會得到進一步推廣和應(yīng)用。

　　我們推出了一種具有開創(chuàng)性的方法，即使用可編程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平臺作為 ECU 的基礎(chǔ)，設(shè)計出一款能夠同時滿足 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準的汽車 ECU。我們的設(shè)計方法對可重配置硬件的關(guān)鍵特性，比如并行性、可定制性、靈活性、冗余性和多功能性進行了充分的探索。在概念設(shè)計完成后，我們希望在原型中實現(xiàn)設(shè)計。為此，賽靈思 Zynq?-7000 可擴展處理平臺成為了理想選擇。該款 FPGA平臺將 ARM? 雙核 Cortex?-A9 MPCore 硬處理器和具備動態(tài)部分可重配置功能的 28 nm 賽靈思 7 系列可編程邏輯器件完美結(jié)合在一起，不但可充分滿足所需要求，而且還配備有 CAN 和以太網(wǎng)等車載網(wǎng)絡(luò)常用的片上通信控制器。

　　新興應(yīng)用

　　目前汽車計算能力借助通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的ECU來分配。在未來幾年內(nèi)，由于機動車輛中新應(yīng)用的興起，這樣的計算能力有望進一步提高。這些新應(yīng)用包括安全和駕駛員輔助功能、車輛間通信功能、舒適性和控制功能、車載娛樂功能以及為數(shù)眾多的混合動力電動技術(shù)。毫無疑義，車輛電子設(shè)備的數(shù)量預計還會增加。根據(jù)分析人員的預測，汽車應(yīng)用半導體市場的規(guī)模將在未來五年內(nèi)以 8% 的年均復合增長率 （CAGR） 增長。其中增長最快的細分市場之一涉及到微控制器 （MCU） 和可編程邏輯器件，比如現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）。

　　在車載功能的數(shù)量和先進性與日俱增的同時，設(shè)計和管理這些系統(tǒng)變得日趨復雜，汽車制造商認為有必要采取有效方式來解決這一難題。其結(jié)果就是當今 AUTOSAR 和 ISO 26262 兩大標準都在影響著實際汽車 ECU 軟硬件系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計和部署方式（見側(cè)邊欄）。

　　2003 年由多家汽車制造商共同制定的 AUTOSAR 標準旨在為分布于車輛中的 ECU 定義標準的系統(tǒng)軟件架構(gòu)。而 ISO 26262 標準的目的則以功能安全性為中心，實質(zhì)上是以避免或檢測并處理故障為目的，從而減輕故障影響并防止出現(xiàn)對任何既有的系統(tǒng)安全目標的違反行為。隨著全新的安全關(guān)鍵功能（比如駕駛員輔助或動態(tài)控制）的推出，功能安全性已經(jīng)成為汽車開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。ISO 26262 標準于 2011 年批準生效，可為軟硬件的安全開發(fā)提供支持。

　　因此，整個ECU 的設(shè)計和開發(fā)流程由需要系統(tǒng)性進程的標準進行管理。我們的工作就是設(shè)計一款高性價比嵌入式計算平臺，采用可重配置硬件技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　AUTOSAR 和 ISO 26262 標準主要從軟件開發(fā)的角度著眼，面向的是基于微控制器單元的計算平臺。但是，硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計和可重配置計算技術(shù)的應(yīng)用可為這個領(lǐng)域帶來眾多優(yōu)勢。雖然標準的 MCU 往往是汽車 ECU 硬件平臺的最佳選擇，但隨著新型 FPGA成本的不斷降低，加上部分 FPGA 產(chǎn)品內(nèi)部集成有硬核處理器，使得 FPGA 器件也成為這個市場中值得廣泛應(yīng)用的理想解決方案。此外，汽車中不斷集成新的嵌入式功能的趨勢也提出了對并行計算架構(gòu)的需求。這在當今的車載信息娛樂領(lǐng)域尤為明顯，在這種領(lǐng)域中高速數(shù)字信號處理正在敞開大門迎接 FPGA 技術(shù)。像賽靈思這樣的可編程邏輯供應(yīng)商和像 MathWorks 這樣的 EDA 工具廠商已對這個領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯的興趣。

　　為了在汽車應(yīng)用中發(fā)揮可重配置硬件的全部優(yōu)勢，我們將以關(guān)于部署最終用戶功能的汽車計算網(wǎng)絡(luò)中最為重要的 ECU 之一——“車身控制器模塊”為重點，通過使用案例展現(xiàn)這種技術(shù)的潛力。該ECU也稱為“車身域控制器”，負責綜合和控制車輛中主要的電子車身功能，比如擋風玻璃雨刷/噴水系統(tǒng)、車燈、搖窗器、引擎點火/熄火、車外后視鏡和中控鎖。我們的目標是在FPGA平臺上設(shè)計出一款配備有安全關(guān)鍵功能且符合 AUTOSAR 的 ECU 系統(tǒng)。

　　實際情景

　　如果汽車制造商要想經(jīng)濟高效地管理日益復雜的車輛功能，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系統(tǒng)架構(gòu)的標準化則是必由之路。它能夠?qū)崿F(xiàn)分布在 ECU 中的各項功能的高度集成和軟件組件的重復使用。AUTOSAR 的主要目的是定義一個統(tǒng)一的 ECU 架構(gòu)，讓硬件與軟件分離。這樣 AUTOSAR 通過定義硬件無關(guān)的接口，可提高軟件的重復使用。換句話說，如果按照 AUTOSAR 標準編寫的軟件組件，只要正確集成到符合 AUTOSAR 標準的運行環(huán)境中，就能夠在任何廠商的微控制器上運行。

　　這項功能給汽車制造商帶來了更高的靈活性。由于 AUTOSAR 標準內(nèi)在的即插即用特性，汽車制造商可以在整個汽車平臺上以透明的方式更換不同供應(yīng)商開發(fā)的相同軟件模塊的各個版本，且不會給汽車中其余功能的發(fā)揮造成負面效果。最終硬件和軟件實現(xiàn)彼此高度獨立。這種分離是通過標準軟件的 API 將抽象層互聯(lián)實現(xiàn)的。圖 1 是 AUTOSAR 定義的功能層的分解圖。

　　
圖1 從 MCU 到應(yīng)用層的 AUTOSAR 分層模型

　　底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由 MCU 自身（即 CPU 和與其相連的部分標準外設(shè)）構(gòu)成。微控制器之上是基礎(chǔ)軟件（BSW），分為三層：粉色的微控制器抽象層 （MCAL）、綠色的 ECU 抽象層 （ECUAL） 和復雜驅(qū)動程序、紫色的服務(wù)層（SRV）。這三層經(jīng)組織形成了多個列或協(xié)議棧（存儲器、通信、輸入/輸出等）。

　　緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是 MCU 的抽象。該層的目的是提供一個硬件獨立的 API，負責處理微控制器中的硬件外設(shè)。微控制器抽象層的上一層是 ECU 抽象層，負責抽象 ECU 開發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸（例如，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等）。接下來的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨立性，其作用是處理所需的不同類型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統(tǒng)看門狗的 NVRAM 處理或管理。通過這三層，AUTOSAR 定義了一套基礎(chǔ)軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺下支持著汽車 ECU 各高級抽象層的所有功能。

　　第四層是運行環(huán)境 （RTE），為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的 BSW 層和應(yīng)用層 （APP）共同訪問的一套信號（發(fā)送器/接收器端口）和服務(wù)（客戶端和服務(wù)器端口）構(gòu)成。該 RTE 從基礎(chǔ)軟件中抽象出應(yīng)用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼 （APP））與特定的硬件相關(guān)代碼 （BSW） 分離的軟件協(xié)議棧架構(gòu)。換句話說，RTE可將軟件應(yīng)用與硬件平臺分離。因此運行在 RTE 上的所有軟件模塊都具有平臺無關(guān)性。

　　在 RTE 之上，通過應(yīng)用層，軟件架構(gòu)方式從分層變?yōu)橐越M件為基礎(chǔ)。功能主要封裝在軟件組件 （SWC） 中。因此，完成 AUTOSAR 軟件組件接口的標準化是支持各項功能跨不同車輛平臺的ECU實現(xiàn)可擴展性和可移植性的中心環(huán)節(jié)。除復雜驅(qū)動程序外，AUTOSAR 標準明確地規(guī)定了這些組件的 API 及特性。SWC 僅通過運行環(huán)境與其他模塊（ECU 間或內(nèi)部）通信。

　　隨著 ECU 不斷集成越來越多的功能，F(xiàn)PGA 器件成為了單核或多核MCU 的明智替代。通過從總體上把握 AUTOSAR 的不同層次，可以預見設(shè)計人員將這種架構(gòu)部署在可編程邏輯中所能帶來的優(yōu)勢。下文將更深入地介紹我們的設(shè)計如何實現(xiàn)基于定制靜態(tài)硬件（基于閃存或SRAM 的 FPGA 技術(shù)）的解決方案，然后將這種方法延伸為為一種運行時可重配置的硬件實現(xiàn)方案（基于 SRAM 的部分可重配置 FPGA）。

　　基于 FPGA 靜態(tài)硬件的 ECU 設(shè)計

　　AUTOSAR 架構(gòu)非常適合由 CPU、存儲器和可編程邏輯組成的嵌入式系統(tǒng)。ECU 平臺需要一個 CPU 或主機處理器來管理應(yīng)用并處理分布在應(yīng)用層的軟件組件中的不同功能。同時，MCU 層和部分基礎(chǔ)軟件層可以在可編程邏輯結(jié)構(gòu)中的硬件中綜合。因此，除了能夠?qū)崿F(xiàn)與 CPU 相連的標準外設(shè)，其它定制外設(shè)和協(xié)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(xié)處理器或內(nèi)核處理器也非常適用，因為用它們實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)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(fā)器中以及外部存儲器中綜合。而且，RTE 信號接口經(jīng)簡單設(shè)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(gòu)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(yīng)的發(fā)送器和接收器軟件端口。

　　
圖2 將 AUTOSAR ECU 架構(gòu)移植到 FPGA 平臺上

　　建議將基于 MCU 的 AUTOSAR ECU 架構(gòu)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(tǒng)分區(qū)，如圖 2 所示。位于 RTE 層以下的有操作系統(tǒng) （OS）、存儲器協(xié)議棧、通信協(xié)議棧、I/O 協(xié)議棧等。位于 RTE 層以上的是軟件組件，它們用于實現(xiàn)應(yīng)用并通過 AUTOSAR 接口與 RTE 進行通信。

　　由于 AUTOSAR 架構(gòu)內(nèi)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(shè)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(shù)據(jù)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(shè)計。這種設(shè)計只采用一個單核處理器來發(fā)揮主機 CPU 的作用，但配有更智能的外設(shè)、協(xié)處理器乃至從處理器。所有這些計算單元都可以在 FPGA 架構(gòu)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(gòu)均由一個主機 CPU 和分擔 部分CPU 任務(wù)的智能外設(shè)構(gòu)成，從而可降低系統(tǒng)復雜性。這樣，主機 CPU 負責管理軟件中的整個應(yīng)用層，而定制外設(shè)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(shè)設(shè)計的方法的優(yōu)點還在于能夠讓主機 CPU 的軟件執(zhí)行更加線性化，即外設(shè)不會通過中斷服務(wù)程序產(chǎn)生過多的請求 CPU 關(guān)注的中斷。圖 3 顯示了這種系統(tǒng)的方框圖及其對應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺相媲美的系統(tǒng)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(xié)處理器。

　　這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺相媲美的系統(tǒng)性能，而且就軟件開發(fā)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(gòu)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(xié)處理器，就可實現(xiàn)這種最佳平衡。

　　從概念上來說，可以通過將這些系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)計。頂層相當于 AUTOSAR 的應(yīng)用層，由負責管理車輛中最終用戶功能的軟件組件構(gòu)成。而底層則由硬件和基礎(chǔ)軟件乃至 RTE 鏈路構(gòu)成。應(yīng)用層從數(shù)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(zhì)上說是通過以有限狀態(tài)機 （FSM） 形態(tài)實現(xiàn)的算法來實現(xiàn)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(huán)執(zhí)行，并在操作系統(tǒng)控制的軟件任務(wù)中調(diào)度。

　　底層還負責實現(xiàn) CPU 連接的所有標準外設(shè)的驅(qū)動程序，例如 A/D 轉(zhuǎn)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(yīng)的事件。在這方面可編程邏輯能夠起到一定的作用。其構(gòu)想為：讓主機 CPU 將應(yīng)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?qū)?RTE 信號，讓 FSM 進行相應(yīng)的調(diào)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(jié)果，根據(jù)自身具體任務(wù)安排實時地執(zhí)行特定的行動。

　　將定制硬件控制器連接至系統(tǒng) 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(tǒng)的角度來看，這樣做有助于降低系統(tǒng)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(yōu)勢在于可以更簡便地實現(xiàn)一般在軟件中通過多線程才能實現(xiàn)的某些功能，因為硬件較軟件內(nèi)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(shè)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(zhí)行時間。

　　用戶可以將在 MCU 和 BSW 層中綜合的外設(shè)和硬件協(xié)處理器設(shè)置成高智能化水平，以釋放 CPU 時間，從而簡化車載 ECU 的軟件。

　　隨著 ECU 平臺日趨復雜化，系統(tǒng)所需的 I/O 線路數(shù)也在不斷增加。在這方面 FPGA 較微控制器有明顯的優(yōu)勢，因為 FPGA一般能夠提供多得多的用戶引腳數(shù)。這一點一般與基于 MCU 的 ECU 有關(guān)，因為這種 ECU 需要采用執(zhí)行并-串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的外部芯片（比如數(shù)字移位寄存器或模擬多路復用器）來擴展 ECU 的輸入和輸出。采用 FPGA 可以繞開這些外部組件，進而縮減材料清單成本以及電子開發(fā)板的 PCB尺寸。

　　先進的 FPGA 器件已經(jīng)集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這個特性對汽車設(shè)計意義重大，因為許多 ECU使用模擬信號（比如電池電壓）來實現(xiàn)所需的部分功能。在可編程邏輯器件中集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 FPGA 開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　與 MCU 類似，F(xiàn)PGA 也提供遠程更新功能。但在這里需要提醒的是，下載到 FPGA 中的位流不僅涉及到軟件代碼，而且與硬件電路也息息相關(guān)。這意味著就算產(chǎn)品已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，仍然可以通過系統(tǒng)更新或升級來修改硬件設(shè)計。汽車產(chǎn)業(yè)非常欣賞這種靈活性，因為它能夠在產(chǎn)品發(fā)布后修改缺陷（軟/硬件均可）。

　　在任何嵌入有符合 ISO 26262安全相關(guān)要求的功能的 ECU 中，涉及該實現(xiàn)方案的軟硬件必須根據(jù)其分類滿足一定程度的保護要求。從軟件的角度講，它必須體現(xiàn)出抗干擾能力，即運行在 ECU 中的非安全相關(guān)代碼一定不能危及同一 ECU 中安全相關(guān)類的代碼的運行。這種隔離是保證安全相關(guān)功能與非安全相關(guān)功能在同一處理器上正確并行運行所必須的。一般來說，在可編程邏輯中管理這些指標比在 MCU 中具有更大的靈活性。

　　對于面向功能安全的存儲器保護策略，有必要確保只能授權(quán)的安全軟件組件有權(quán)對特定安全相關(guān)信號進行寫入存取。在 MCU 器件環(huán)境中，存儲器分區(qū)提供了一種故障約束機制，能夠?qū)④浖?yīng)用彼此分離，避免其間發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤。可編程邏輯很有可能實現(xiàn)一種更有效的自我保護機制。可編程邏輯可以通過專用的單個雙端口存儲器來管理與安全信號相關(guān)的 RTE 緩存，這樣數(shù)據(jù)從寫端口寫入，從讀端口讀取。采用這種方法，可以采用專用的硬件控制器給寫入或讀取這些來自軟件側(cè)的信號設(shè)置不同的約束條件。這種方法也可以采用寄存器來實現(xiàn)。

　　能夠在 ECU 系統(tǒng)中導入定制硬件解決方案是 FPGA 的一大優(yōu)勢，特別是對安全相關(guān)的功能而言。具體而言，對 I/O 引腳和 GPIO 控制器，在安全功能中涉及的引腳布局可以組合成定制的 I/O 端口，僅供 ECU 中的安全組件訪問，與器件的其余引腳分離。這是將系統(tǒng)的安全相關(guān)引腳與非安全相關(guān)引腳分開的理想辦法，從設(shè)計上避免了干擾的發(fā)生。任何對非安全引腳的訪問都不會破壞安全引腳的狀態(tài)，因為安全引腳只受安全相關(guān)代碼的管理。這種構(gòu)思的具體描述見圖 4。

　　
圖4 軟/硬件聯(lián)合設(shè)計的安全架構(gòu)，可將安全相關(guān)端口和非安全相關(guān)端口隔離開來，以保證無干擾

　　另外，還能夠根據(jù)應(yīng)用或處理該應(yīng)用的軟件組件的需求定制每個 GPIO 端口的大小，從而避免將 GPIO 端口轉(zhuǎn)換為不同應(yīng)用共享的物理資源，如MCU端口的情況。用這種方法，F(xiàn)PGA中每一個由不同軟件組件（比如車窗升降器、雨刷、外后視鏡等）管理的應(yīng)用都能夠?qū)⒆约禾囟ǖ亩丝谟成涞较到y(tǒng)存儲映射中特定的寄存器。這在 MCU 平臺上無法做到，因為 MCU的端口有固定尺寸（一般為8、16 或 32 位寬）且按字長尋址，而非按位尋址。因此在采用 MCU 的情況下，這種控制寄存器在程序執(zhí)行的時候變成了有多個 SWC 訪問的共享資源。

　　我們可以把用于 GPIO 控制器的策略擴展用于其它標準外設(shè)。這樣 AUTOSAR 借助 SWC 概念在頂層提倡的功能分區(qū)和隔離思路也可以在可編程硬件的幫助下推廣運用到較低層的資源上。這種技術(shù)如果采用基于標準 MCU 器件的靜態(tài)硬件解決方案是無法實現(xiàn)的。

　　我們上文介紹的用于 MCU 標準外設(shè)的隔離策略也可以用于安全功能的各個通道或數(shù)據(jù)路徑。這一特性尤其適用于按 ISO 26262 標準的 ASIL 分級組織的精細分類安全目標（見側(cè)邊欄）。此項功能可用于將各個通道或者數(shù)據(jù)路徑分解成較低 ASIL 級別的冗余分區(qū)，這樣每一個通道或路徑都以冗余方式運行，后續(xù)根據(jù)各自的新級別予以實現(xiàn)。這種基于冗余的安全策略是選擇可編程邏輯的又一理由，因為可編程邏輯能夠在同一器件中多次例化多個相同、獨立的處理引擎。另外，滿足某個 ASIL 級別的要求用架構(gòu)方法（硬件）往往比用抽象軟件能夠更輕松明晰地證明，特別是像抗干擾這樣的功能。C 編程語言中的棧溢出或是數(shù)據(jù)指針處理不當可能會給系統(tǒng)帶來出乎意料的安全性問題。

　　這種基于冗余的安全策略是選擇可編程邏輯的又一理由，因為可編程邏輯能夠在同一器件中多次例化多個相同、獨立的處理引擎。

　　可編程邏輯的靈活性及其對功能安全的適用性還帶來另一項設(shè)計優(yōu)勢，就是可以采用三模冗

　　余 （TMR） 策略。這是航空航天應(yīng)用中用于緩解單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU） 風險的常見方法。這種緩解方案由三個相同邏輯電路構(gòu)成，并行執(zhí)行相同的任務(wù)，對應(yīng)的輸出由一個多數(shù)表決電路進行比較。采用硬件實現(xiàn)這種策略效率很高。

　　另外，在這個高度關(guān)注成本和功耗的市場上，賽靈思 Zynq-7000 EPP等一些可編程邏輯器件能夠支持多項降低系統(tǒng)總體功耗的功能，其中的部分功能是從 MCU 繼承而來。像處理系統(tǒng)的僅加電模式、休眠模式和外設(shè)獨立時鐘域這樣的功能能夠大幅降低器件待機期間的動態(tài)功耗。

　　某些可編程邏輯器件在結(jié)構(gòu)中配備有硬核處理器，便于設(shè)計人員第一步先用軟件開發(fā)整個系統(tǒng)功能，就像他們尋常在 MCU 平臺上所做的一樣，隨后逐步地在設(shè)計中增加硬件，將部分設(shè)計移植到可編程邏輯資源。這種方法能夠讓設(shè)計人員為解決方案開發(fā)出不同的版本，而且與純軟件方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)在定制硬件中綜合部分功能的優(yōu)勢。

　　在運行時可重配置硬件上進行 ECU 設(shè)計

　　在探討完畢借助可編程邏輯在靜態(tài)硬件和軟件上實現(xiàn) ECU 的優(yōu)勢后，我們接下來探討采用基于 SRAM 并具備運行時部分可重配置功能的 FPGA 設(shè)計 ECU。部分可重配置技術(shù)能夠為汽車設(shè)計人員提供更多優(yōu)勢。

　　事實上，其中的一大優(yōu)勢是如果 FPGA 包含有不必在啟動時（如在 ECU 喚醒或加電）配置的部分可重配置區(qū)域，可以縮短系統(tǒng)啟動時間。不支持動態(tài)部分可重配置的 FPGA在加電時需要配置所有的 FPGA 資源，但運行時可重配置 FPGA 只需下載部分位流進行部分重配置。

　　由于當今先進的 FPGA 器件具有巨大的容量，故在加電時下載完整的位流會引起可觀的配置時間開銷。運行時部分可重配置技術(shù)能夠顯著地縮短這種配置時延。在那種情況下，有可能在加電時只配置一個最起碼的子系統(tǒng)（即引導載入程序和立即需要的部分系統(tǒng)應(yīng)用），讓系統(tǒng)其余部分保持待機狀態(tài)，直到有必要初始化為止。如果系統(tǒng)在加電或喚醒時需要快速響應(yīng)，可將這種啟動工作劃分為兩個階段，以加快初始化過程。為此，可將系統(tǒng)架構(gòu)分解為一個靜態(tài)域和一個或者多個部分可重配置域 （PRR）。靜態(tài)域涵蓋負責執(zhí)行啟動過程的系統(tǒng)（一般來說是主機 CPU），以及可重配置引擎和通往位流庫的數(shù)據(jù)鏈路。由特定部分位流描述的其他域可按應(yīng)用需求，隨后下載。

　　另外，如果禁用 PRR 域，則可以讓器件的功耗與禁用區(qū)域部分成比例降低。在使用汽車電池供電的 ECU 中，節(jié)能模式尤為重要。為此，在車輛未使用時（即處于休眠模式時），車載 ECU 可使用低功耗模式，以讓 ECU 功耗保持最低。同樣，可以在不需要的時候使用空白位流禁用 FPGA 的部分區(qū)域，減少邏輯活動，從而降低動態(tài)功耗。

　　在采用運行時可重配置邏輯的系統(tǒng)中，汽車設(shè)計人員還可使用一種從航空航天應(yīng)用中借鑒來的重配置技術(shù)。重配置（configuration scrubbing） 可以將系統(tǒng)從因單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU）和電磁干擾造成的 SRAM 故障中恢復過來。定期重新配置硬件外設(shè)可保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時自我修復。另外，這樣也可以將故障的最大時長限制在重配置時間間隔內(nèi)。這種技術(shù)也通常運用在軟件中，作為一種常見的抗干擾保護措施，例如 MCU 外設(shè)的定期重配置。

　　另一項運行時部分重配置技術(shù)的靈活性帶來的有前景的功能是在 FPGA 資源的某個特定二維位置出現(xiàn)永久性或不可修復的電路故障，比如影響到特定邏輯單元或 RAM 模塊時，可通過功能重定位實現(xiàn)故障修復。一旦發(fā)現(xiàn)有硬件或軟件故障出現(xiàn)，可以在運行中將所需的功能自動重定位到同一 ECU 中的可編程邏輯器件的其他部分。雖然這個構(gòu)思是可行的，但這項功能還沒有得到當今的自動化工具的完全支持。

　　適用于汽車產(chǎn)業(yè)的運行時可重配置計算技術(shù)最強大的特性無疑是共享的硬件資源上功能的實時時分復用。可以對由 ECU 中的相同計算資源處理的功能性應(yīng)用進行時間共享，如果應(yīng)用間相互獨立（例如，當車輛向前直行駛時使用行車道偏離預警功能，倒車時，則切換到后視攝像頭視圖或停車輔助應(yīng)用）。這種設(shè)計思路可以幫助降低此類嵌入式系統(tǒng)的成本和復雜性，釋放空間，減輕車身重量。

　　這種設(shè)計思路還可用于實現(xiàn)特定算法在不斷變化的環(huán)境條件或者外部條件中的自適應(yīng)性。例如，給定的引擎控制算法可通過部分可重配置自主調(diào)整部分硬件模塊，以在任何運行溫度下或電池電壓下實現(xiàn)理想的運行。同樣的理念對通信系統(tǒng)也適用，比如可以設(shè)計某種加密控制器，能夠在運行中運用特定的參數(shù)函數(shù)制定專門的安全等級。另如，可以設(shè)計某種 ECC 加密器/解密器 IP，用于在高噪聲通信信道中檢測和修改數(shù)據(jù)傳輸錯誤，能夠根據(jù)感應(yīng)到的信噪比動態(tài)適應(yīng)其硬件架構(gòu)。

　　圖5顯示了一個采用賽靈思 Virtex?-4 FPGA 部署的 ECU 系統(tǒng)的示例，由一個靜態(tài)域和一個部分可重配置域構(gòu)成。靜態(tài)域集成了一個MicroBlaze軟核處理器和一個基于 ICAP 的重配置控制器，部分可重配置域 （PRR） 則發(fā)揮著共享資源的作用，負責在不同時間換入和換出不同的功能任務(wù)或應(yīng)用。

　　最后，如果將前述的構(gòu)想發(fā)揮到極致，可以設(shè)計出一種通用汽車 ECU 平臺。這種平臺可以在生產(chǎn)線上進行配置并針對汽車中特定的 ECU 功能進行定制。這種構(gòu)想在技術(shù)上借助可重配置硬件具有可行性，能夠簡化制造廠的物流要求，將存貨壓低到最低水平。這是因為從硬件的角度來看，在生產(chǎn)線上組裝的模塊對所有車輛都是一樣的，都采用單一平臺設(shè)計或產(chǎn)品架構(gòu)（基于靈活的硬件）。只有可下載的位流會讓 ECU 的功能具有差異。

　　
圖5 在由部分可重配置域和靜態(tài)域構(gòu)成的運行時可重配置 FPGA 中實現(xiàn)的汽車 ECU 應(yīng)用的空間分區(qū)和臨時分區(qū)

　　高集成度ECU

　　在當今的汽車產(chǎn)業(yè)中，有約 90% 的創(chuàng)新來自汽車電子設(shè)備，而且這個勢頭方興未艾。未來汽車將采用非常先進的軟硬件技術(shù)，實現(xiàn)大量的新功能，比如自動駕駛、車輛間通信、娛樂以及和更高安全性。但是，對在這個以大批量制勝的產(chǎn)業(yè)而言，控制車載嵌入式系統(tǒng)的成本對汽車制造商極其重要。因此，當前的趨勢是在減少車輛中的 ECU 數(shù)量的同時讓每個 ECU 發(fā)揮強勁的功能。要實現(xiàn)這個目標需要功能更加強大的計算平臺。

　　許多行業(yè)參與方共同采用的方法是開發(fā)用作域控制器的高集成度 ECU。就是將多個單核處理器或微控制器布置在同一開發(fā)板上，共享總線連接和其他資源，旨在從整車的角度降低系統(tǒng)復雜性。這種趨勢讓我們聯(lián)想到可以將可重配置硬件用于 ECU 的設(shè)計，從而在有效提高計算并行性，降低 PCB 的復雜性的同時，實現(xiàn)最高性價比解決方案。

　　這種設(shè)計方法雖然在我們的工作中尚處于萌芽階段，卻為將 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準與運行時可重配置硬件融合用于軟/硬件聯(lián)合設(shè)計，實現(xiàn)完整的車載嵌入式 ECU 系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。實際上，雖然目前 AUTOSAR 還沒有覆蓋到可重配置硬件，但我們不排除將來有這種可能?；?SRAM 的運行時可重配置 FPGA 已用于航空航天應(yīng)用，能夠滿足容易導致 SEU 的更為惡劣的環(huán)境條件的要求，況且汽車行業(yè)從歷史上看有借鑒航空航天行業(yè)率先開創(chuàng)的風氣的習慣。另外，在市場上已經(jīng)存在某些合格的用于實現(xiàn)基于 FPGA 的安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方法和工具，而且行業(yè)中涉及 FPGA 器件的標準也已經(jīng)存在有相當長時間，比如用于規(guī)范航空電子業(yè)組件和系統(tǒng)設(shè)計的 DO-254 標準。

　　聯(lián)合設(shè)計帶來模式變革

　　因此，我們的工作將掀起汽車產(chǎn)業(yè)計算模式的變革。在特定的 ECU 應(yīng)用場景中，純軟件的解決方案將被軟/硬件聯(lián)合設(shè)計和可重配置計算技術(shù)所取代。這是因為采用馮諾依曼型 MCU 的純軟件方法由于性能、復雜性和安全性方面的局限，已不敷使用?？删幊踢壿嫾夹g(shù)的價格的不斷降低，加上汽車電子控制單元性能需求的不斷走高，將在不久的將來把這場變革變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　兩大關(guān)鍵標準

　　汽車產(chǎn)業(yè)在設(shè)計車載電子設(shè)備時已將兩項關(guān)鍵標準奉為圭皋。其中一項標準是 AUTOSAR，它通過適當?shù)能浻布軜?gòu)解決嵌入式系統(tǒng)復雜性問題。另一項標準是即將推出的 ISO 26262，用于管理功能安全性。AUTOSAR提出的以及 ISO 26262 采用的相關(guān)技術(shù)課題主要為安全問題的檢測和處理，比如運行時發(fā)生的硬件故障、時序失常和應(yīng)用執(zhí)行的邏輯順序打亂、數(shù)據(jù)損壞等。

　　AUTOSAR詳解

　　近年來，電子組件已經(jīng)取代了車輛中的機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。隨著設(shè)計人員開始用軟件實現(xiàn)更多的控制、監(jiān)控和診斷功能，這種趨勢正在持續(xù)。實際上，用電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)僅用機械和液壓解決方案無法開發(fā)者開發(fā)成本高的新功能。但這些部件必須滿足嚴格的安全要求，以避免出錯和故障。

　　雖然軟件相關(guān)的故障目前來看比較罕見，但隨著軟件在汽車這種工業(yè)制品中用量的不斷增加，系統(tǒng)變得日趨復雜，加上產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短，最終可能導致產(chǎn)品故障。為解決這個問題，汽車產(chǎn)業(yè)通過結(jié)盟和實施標準，確保使用和開發(fā)安全可靠的軟件。

　　比如汽車工業(yè)軟件可靠性協(xié)會 （MISRA） 就是由福特和美洲豹路虎這樣的汽車制造商、組件供應(yīng)商和工程咨詢方組成的團體。通過制定一系列軟件編程規(guī)則，MISRA旨在在道路車輛的車載安全相關(guān)電子系統(tǒng)和其他嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作中推廣最佳實踐。

　　汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) （AUTOSAR） 是來自電子、半導體和軟件行業(yè)的汽車制造商、供應(yīng)商和其他公司組建的聯(lián)合體為解決幾項重大問題而制定的一種事實上的汽車電氣/電子（E/E）架構(gòu)開放行業(yè)標準。這幾項重大問題包括：控制隨功能不斷增加而導致的日益提高的車載電氣/電子系統(tǒng)復雜性；提高靈活性以便產(chǎn)品的修改、升級和更新；在產(chǎn)品線內(nèi)部以及跨產(chǎn)品線提高解決方案的可擴展性；改善電氣/電子系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性；實現(xiàn)設(shè)計初期階段的出錯檢測。

　　這個架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)是必須集成廣泛供應(yīng)商提供的日益豐富的軟件和電子技術(shù)。通過簡化軟硬件的交換和更新選項，AUTOSAR 架構(gòu)為可靠地控制汽車車載電氣/電子系統(tǒng)日益提高的復雜性奠定了基礎(chǔ)，同時在保證質(zhì)量的情況下改善了成本效益。

　　AUTOSAR 架構(gòu)制定于 2003 年，是更早期的 OSEK/VDX 聯(lián)合體的自然發(fā)展。OSEK/VDX 聯(lián)合體誕生于十年之前，由部分德國和法國汽車制造商主推。由于有更遠大的目標，AUTOSAR如今已經(jīng)為世界各地大部分汽車制造商采用。

　　AUTOSAR 架構(gòu)的核心成員包括寶馬集團、博世、大陸、戴姆勒、福特、通用汽車、雪鐵龍、豐田和大眾集團。除了這些核心成員公司，另有 160 余家其他成員為聯(lián)合體的成功發(fā)揮著重大作用。由此，在“在標準上合作，在設(shè)計上競爭”的口號的指引下，汽車制造商和供應(yīng)商聯(lián)合一致，共同制定了這個旨在實現(xiàn)車載電氣/電子設(shè)計突破的開放標準化系統(tǒng)架構(gòu)。

　　功能安全性

　　與此類似，IEC 61508 是負責管理電氣、電子和可編程電子系統(tǒng)和組件的功能安全性的國際電工委員會的一般性標準，自 2004 年生效以來已經(jīng)得到世界各地的認可，適用于各個領(lǐng)域的安全相關(guān)系統(tǒng)。

　　在專門為功能安全性制定的其他標準中，有一項系專門為汽車行業(yè)的功能安全性制定，這就是國際標準化組織的 ISO 26262。這項新標準尚在制定過程中，預計將于 2012 年頒布，旨在支持和推動汽車行業(yè)中安全產(chǎn)品的開發(fā)工作。它覆蓋了從構(gòu)想、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營的所有安全工作。

　　事實上，功能安全，即不允許發(fā)生因電氣/電氣系統(tǒng)的功能失常導致的危險性造成不可接受的風險，業(yè)已成為汽車設(shè)計中的一項重要要求。該擬在近期頒布的標準專門針對汽車行業(yè)的實際情況，定義了可接受的風險，重在防范惡性故障。為此，“風險”一詞的定義為發(fā)生傷害或者損害的可能性及傷害或者損害的嚴重性。在工程開發(fā)階段，該標準要求提前評估所有潛在的危險和風險，并要求開發(fā)人員采取適當?shù)拇胧┍M最大可能予以消除。ISO 26262 提供了適當?shù)囊蠛土鞒蹋笇绾伪苊膺@些風險。

　　根據(jù)該標準的要求，汽車的功能被分成安全相關(guān)功能和非安全相關(guān)功能兩大類。安全相關(guān)功能指如果功能失常就會給駕駛員帶來風險的功能。對分類為安全相關(guān)功能的功能，該標準進一步設(shè)定了數(shù)個可能的風險等級。就是說從確保具體的安全目標的角度出發(fā)，某些功能的比另一些功能更加關(guān)鍵。

　　根據(jù)可能發(fā)生的事故的嚴重性、出現(xiàn)特定駕駛狀況的概率、采用外部措施降低風險的程度，該標準定義了一系列汽車安全完整性等級 （ASIL））。該系列等級具體分為四個等級，從 D 到 A。D 代表最高安全等級，A 代表最低安全等級。每個 ASIL 等級都列明汽車制造商和供應(yīng)商必須滿足的要求或建議，以將“不可容許的嚴重風險”降低為可容許殘余風險。

　　例如，如果在車輛行駛中方向盤軸被卡住，駕駛員就可能遭遇事故，因為駕駛員無法轉(zhuǎn)動方向盤。為將該風險降低到可容許的水平，方向盤軸控制功能的設(shè)計就必須根據(jù) ISO 26262 標準和為此安全目標設(shè)定的 ASIL 等級滿足一定的安全設(shè)計標準。

　　軟件開發(fā)人員和硬件開發(fā)人員必須依據(jù)每一項安全目標的 ASIL 等級，在實現(xiàn)涉及的功能的時候思考具體的安全措施。對高安全等級的 ASIL（D 或 C），常用的設(shè)計方法是將安全要求分解為冗余安全要求，以便采用充分獨立的元件在較低的 ASIL 等級上滿足 ASIL 容許度要求。換句話說，就是將原始的安全要求用不同的處理器（一般為 MCU）冗余地實現(xiàn)，采用冗余通道最大程度地降低惡性故障發(fā)生的概率。

　　最后，制造商和供應(yīng)商需要向認證機構(gòu)證明自己的電氣/電子系統(tǒng)能夠根據(jù)行業(yè)專門的規(guī)定安全可靠地提供要求的功能。