当今的汽车制造商正在把越来越多的高级功能(néng)添加到(dào)汽车电子控制单元 (ECU)中，以改善驾驶体验，增强安全性，当然還(hái)期望超過(guò)同类竞争产品的销量。在這(zhè)種(zhǒng)情况下，汽车開(kāi)放系统架构 (AUTOSAR) 计划和功能(néng)安全國(guó)际标准 ISO26262 正在快速成(chéng)为汽车 ECU 设计的技术和架构基础。

　　为了满足新车型日益提高的功能(néng)需求，汽车电子产品的密度不断增大，FPGA 厂商也正在不断推出更大型的器件。這(zhè)些器件能(néng)够集成(chéng)所有的应用，而且与前代器件相比，功耗更低，价格更具竞争力。這(zhè)種(zhǒng)趋势意味著(zhe)可重配置计算技术在汽车产业將(jiāng)會(huì)得到(dào)進(jìn)一步推广和应用。

　　我们推出了一種(zhǒng)具有開(kāi)创性的方法，即使用可编程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平台作为 ECU 的基础，设计出一款能(néng)够同時(shí)满足 AUTOSAR 和 ISO 26262 标准的汽车 ECU。我们的设计方法對(duì)可重配置硬件的关键特性，比如并行性、可定制性、灵活性、冗余性和多功能(néng)性進(jìn)行了充分的探索。在概念设计完成(chéng)後(hòu)，我们希望在原型中实现设计。为此，赛灵思 Zynq™-7000 可扩展处理平台成(chéng)为了理想选择。该款 FPGA平台將(jiāng) ARM® 双核 Cortex™-A9 MPCore 硬处理器和具备动态部分可重配置功能(néng)的 28 nm 赛灵思 7 系列可编程逻辑器件完美结合在一起(qǐ)，不但可充分满足所需要求，而且還(hái)配备有 CAN 和以太网等车载网络常用的片上通信控制器。

　　新兴应用

　　目前汽车计算能(néng)力借助通過(guò)通信网络互连的ECU来分配。在未来几年内，由于机动车辆中新应用的兴起(qǐ)，這(zhè)樣(yàng)的计算能(néng)力有望進(jìn)一步提高。這(zhè)些新应用包括安全和驾驶员辅助功能(néng)、车辆间通信功能(néng)、舒适性和控制功能(néng)、车载娱乐功能(néng)以及为数众多的混合动力电动技术。毫无疑义，车辆电子设备的数量预计還(hái)會(huì)增加。根据分析人员的预测，汽车应用半导体市场的规模將(jiāng)在未来五年内以 8% 的年均复合增長(cháng)率 (CAGR) 增長(cháng)。其中增長(cháng)最快的细分市场之一涉及到(dào)微控制器 (MCU) 和可编程逻辑器件，比如现场可编程门阵列 (FPGA)。

　　在车载功能(néng)的数量和先進(jìn)性与日俱增的同時(shí)，设计和管理這(zhè)些系统变得日趋复杂，汽车制造商认为有必要采取有效方式来解决這(zhè)一难题。其结果就(jiù)是当今 AUTOSAR 和 ISO 26262 兩(liǎng)大标准都(dōu)在影响著(zhe)实际汽车 ECU 软硬件系统的架构、设计和部署方式(见侧边栏)。

　　2003 年由多家汽车制造商共同制定的 AUTOSAR 标准旨在为分布于车辆中的 ECU 定义标准的系统软件架构。而 ISO 26262 标准的目的则以功能(néng)安全性为中心，实质上是以避免或检测并处理故障为目的，从而减轻故障影响并防止出现對(duì)任何既有的系统安全目标的违反行为。随著(zhe)全新的安全关键功能(néng)(比如驾驶员辅助或动态控制)的推出，功能(néng)安全性已經(jīng)成(chéng)为汽车開(kāi)發(fā)中的关键问题之一。ISO 26262 标准于 2011 年批准生效，可为软硬件的安全開(kāi)發(fā)提供支持。

　　因此，整个ECU 的设计和開(kāi)發(fā)流程由需要系统性進(jìn)程的标准進(jìn)行管理。我们的工作就(jiù)是设计一款高性价比嵌入式计算平台，采用可重配置硬件技术实现优化的系统架构。

　　系统架构

　　AUTOSAR 和 ISO 26262 标准主要从软件開(kāi)發(fā)的角度著(zhe)眼，面(miàn)向(xiàng)的是基于微控制器单元的计算平台。但是，硬件/软件联合设计和可重配置计算技术的应用可为這(zhè)个领域带来众多优势。虽然标准的 MCU 往往是汽车 ECU 硬件平台的最佳选择，但随著(zhe)新型 FPGA成(chéng)本的不断降低，加上部分 FPGA 产品内部集成(chéng)有硬核处理器，使得 FPGA 器件也成(chéng)为這(zhè)个市场中值得广泛应用的理想解决方案。此外，汽车中不断集成(chéng)新的嵌入式功能(néng)的趋势也提出了對(duì)并行计算架构的需求。這(zhè)在当今的车载信息娱乐领域尤为明显，在這(zhè)種(zhǒng)领域中高速数字信号处理正在敞開(kāi)大门迎接 FPGA 技术。像赛灵思這(zhè)樣(yàng)的可编程逻辑供应商和像 MathWorks 這(zhè)樣(yàng)的 EDA 工具厂商已對(duì)這(zhè)个领域表现出明显的兴趣。

　　为了在汽车应用中發(fā)挥可重配置硬件的全部优势，我们將(jiāng)以关于部署最终用户功能(néng)的汽车计算网络中最为重要的 ECU 之一——“车身控制器模块”为重点，通過(guò)使用案例展现這(zhè)種(zhǒng)技术的潜力。该ECU也称为“车身域控制器”，负责综合和控制车辆中主要的电子车身功能(néng)，比如挡风玻璃雨刷/喷水系统、车灯、摇窗器、引擎点火/熄火、车外後(hòu)视镜和中控锁。我们的目标是在FPGA平台上设计出一款配备有安全关键功能(néng)且符合 AUTOSAR 的 ECU 系统。

　　实际情景

　　如果汽车制造商要想經(jīng)济高效地管理日益复杂的车辆功能(néng)，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系统架构的标准化则是必由之路。它能(néng)够实现分布在 ECU 中的各项功能(néng)的高度集成(chéng)和软件组件的重复使用。AUTOSAR 的主要目的是定义一个统一的 ECU 架构，让硬件与软件分离。這(zhè)樣(yàng) AUTOSAR 通過(guò)定义硬件无关的接口，可提高软件的重复使用。换句话說(shuō)，如果按照 AUTOSAR 标准编写的软件组件，只要正确集成(chéng)到(dào)符合 AUTOSAR 标准的运行环境中，就(jiù)能(néng)够在任何厂商的微控制器上运行。

　　這(zhè)项功能(néng)给汽车制造商带来了更高的灵活性。由于 AUTOSAR 标准内在的即插即用特性，汽车制造商可以在整个汽车平台上以透明的方式更换不同供应商開(kāi)發(fā)的相同软件模块的各个版本，且不會(huì)给汽车中其余功能(néng)的發(fā)挥造成(chéng)负面(miàn)效果。最终硬件和软件实现彼此高度独立。這(zhè)種(zhǒng)分离是通過(guò)标准软件的 API 將(jiāng)抽象层互联实现的。