FPGA和IP解决方案优化汽车电气架构的设计和实现

　　过去十年来，车载网络架构变得越来越复杂。虽然车载网络协议的数量有所减少，但实际部署的网络数量却有显着增加。这就提出了网络架构的可缩放性问题，并且要求为满足各种应用和网络的实际需要而优化半导体器件。整车厂在设计新车型之前，肯定要了解客户的需求，客户的需求也就是新车必须具有的特征（Features），而在出厂时这些都变成了具体车型的配置（Equipments）。如此看来，整车厂如何实现用户需求的特征同时合理的安排配置将对产品的成本起决定性的作用。FPGA曾一度被认为是仅用于开发的解决方案，但如今其价位下降非常迅速，使得许多问题迎刃而解，甚至能以低于传统ASIC或ASSP解决方案的总体系统成本投产。

　　整车企业要掌控整车的E/E架构定义，能够对整车电子电气系统产品进行基于该架构的平台化开发，这包括整车电子电气架构设计、总线通讯拓扑和通讯协议、单一系统产品平台设计等。现在电子和电气在汽车整车上越来越不可分割，整个电子电气的定义和架构，即E/E（Electronic /Electronical）架构，是整车企业一定要掌握的。整车电子电气架构，相当于汽车电子电气系统的总布置。

　　车载网络电气架构

　　之前很多专用的OEM汽车制造商的网络协议已经让位于CAN、MOST 和FlexRay等更为标准化的协议。半导体供应商可以专心制造符合这些协议的器件，并使配件供应商竞争更加激烈并且纷纷降价，同时也促进了汽车OEM制造商之间的模块互通性。

　　工程师可以按几种不同方式划分和制定网络策略，例如，一辆汽车可以有一条LIN回路用于后视镜、一条500Kbps的低速CAN回路用于座椅或车门控制等低端功能、一条1Mbps的高速CAN回路用于车身控制、另一条高速CAN回路用于驾驶员信息系统、一条10Mbps的FlexRay回路用来提供实时驾驶员辅助数据，以及一条25Mbps的MOST回路用于在导航或后座娱乐等多种信息娱乐系统内部或之间传输控制和媒体流。

　　另一方面，低档汽车可以只有一条LIN或CAN回路，令所有其他模块几乎毫无交互操作地独立工作。不同OEM汽车制造商会以不同方式处理模块间通信和汽车网络拓扑结构，而且每种车载平台都不同，这使配件供应商难以开发既有正确接口又可重复使用的模块架构。

　　微控制器微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。

　　ASIC、ASSP和微控制器具有固定的硬件架构，其资源往往不是缺乏就是过剩，毫无灵活性可言。FPGA的可编程性（以及可再编程性）便于增减片上通道（如CAN通道），而且允许重复使用IP.有了这种灵活性。

　　网络协议的半导体实现

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的长处不仅在于接口数量与类型方面的可缩放性。对ASSP、ASIC和微控制器来说，其外设宏指令是用硬件实现的，因此天生就缺少灵活性。而在FPGA环境中，网络接口IP本身可根据所用IP进行优化。

　　在传统硬件解决方案中，使用CAN控制器的工程师通常只有16、32和64个消息缓冲器这三种配置选择。根据系统功能的级别和FPGA外部的可用处理能力，Xilinx的可缩放MOST网络接口解决方案包括可配置成主操作或从操作的网络控制器IP以及异步采样速率转换器（ASRC）、数据路由器或者复制保护用加密引擎等大量IP.

　　这种IP允许优化，既能装入低端解决方案中的较低密度器件，也能装入高端解决方案的较高密度器件，并且常常在模块的目标电路板上使用相同的封装外形。另外，对于各主要协议，业界已开发出可完善解决方案的中间件堆栈和驱动器。

　　各大FPGA供应商都有软微处理器，这些软微处理器可以在控制功能的架构中高效实现，并且其运行速度可与某些硬件中嵌入的微处理器媲美。FPGA架构的另一大优势是能够通过使用乘法器或片上硬MAC中的并行DSP处理功能来卸载微处理器和分区上的处理任务，从而提高总体性能和吞吐量。

　　可编程逻辑器件已取得长足进步

　　可编程逻辑器件已取得长足进步，逐渐成为汽车市场的主流技术。各种可编程逻辑器件在可靠性方面难分伯仲，而FPGA技术则可以实现可缩放的灵活的集成，这在传统的ASIC、ASSP或微控制器架构中是不可能实现的。开发周期缩短，可编程逻辑器件供应商采用先进的工艺技术以及可编程器件必然带来的规模经济，这些均促使总体生产系统成本得以降低。

　　随着车载网络的关键IP和解决方案日趋成熟以及FPGA架构的性能潜力逐渐提高，可编程逻辑器件将在攻克车载电气架构开发中固有的某些工程难题方面发挥重要作用。