利用FPGA协处理器优化汽车信息娱乐和信息通讯系统设计

集成了数据通信、本地服务和视频娱乐功能的高端汽车信息娱乐系统需要高性能的可编程处理技术支持，将FPGA协处理器整合进主流汽车信息通讯系统架构是最理想的解决方案。本文提出了汽车娱乐系统的要求，讨论了主流系统架构，并介绍如何将FPGA协处理器整合进硬件和软件架构以满足高性能处理要求、灵活性要求及降低成本的目标。

娱乐电子正成为豪华汽车之间差异化的主要方面，因而推动了其性能和功能的快速发展。如何折衷考虑性能、成本和灵活性要求是设计工程师面临的挑战。高端应用包括卫星收音机、后座娱乐、导航、各种类型的音频回放、语音合成和识别，以及其它新的应用。

汽车娱乐系统用的核心技术与传统的汽车应用有本质的区别。与汽车电子的其它领域不同，这些娱乐应用是天天要用的，需求也不断在发生变化。另外，过时的娱乐系统将成为新车销售的主要障碍，并且会影响汽车转售价格和出租价格。

车载娱乐系统的技术要求

传统的汽车电子为具有较长产品寿命、更宽温度范围和低成本要求的全面标准化推动，车载娱乐系统基本上也要满足这些要求。设计工程师不但需要设计长寿命的系统，并且要能适应系统功能的快速发展。这些要求需要很强的灵活性和性能，这是以传统的特定应用标准产品(ASSP)为基础的系统架构所不能提供的。

现在设计的车载娱乐系统的基本架构能够支持平板显示器，通过图形化的人机界面可以显示动态地图和汽车信息。这些架构周边有高度标准化的微控制器、各种标准接口以及支持低端图形处理的简单硬件加速器。这种架构能够以非常低的成本满足汽车市场的中等级娱乐系统要求，也能扩展到高端应用以适合顶级豪华汽车市场要求，视频图像处理和通信是典型的顶级应用例子。支持这些应用的各种标准包括视频的MPEG2、MPEG4和H.264，以及通信的GSM/EDGE、WCDMA、1XEVDO、卫星收音机、卫星电视、数字视频广播和WiFi，这些标准都依赖于不断发展的多种信号处理算法，这些算法需要特别高的可编程处理性能。

目前有三种半导体技术可用于实现这些高度复杂的算法，这三种技术分别是可编程数字信号处理器(DSP)、ASSP和现场可编程门阵列(FPGA)。DSP是一种高性能可编程处理器，专门设计用于信号处理，DSP处理器灵活性高、功耗低、性价比也较高，但没有硬件加速功能，不能提供当今高级图像处理和无线通信算法所需的计算能力；通常内含DSP处理器的ASSP能够为简单视频或通信标准提供优化解决方案，但不能被编程以适应不同的标准；而FPGA不仅具有很高的处理性能，而且可编程，因此可以满足多种应用和标准要求。与其它二种技术不同，FPGA的灵活性和性能可以满足所有潜在算法的要求。

图一

FPGA协处理器的应用

上文提到的信息通讯基本架构需要额外的处理芯片来处理高端应用，这些芯片一般是ASIC和ASSP，它们通过存储器或视频处理总线与处理器集成，从而成为特定应用协处理器。用FPGA替换这种特定应用硬件是一种非常好的方法，将FPGA和处理器集成在一起的应用称为FPGA协处理。FPGA的这种使用方式能够根据要求将新的特定应用加速器下载到FPGA中，从而协助完成任何高性能应用。这一概念被广泛应用于高级军事多标准无线电设备，通常称为软件无线电(SDR)技术。采用SDR技术，通过简单的按键就可以使一个无线电设备自动适应不同的无线电标准，这不仅有助于设备适应于未来的应用，也能减少执行不同任务时空闲的定制处理器的数量。这种软件无线电技术也可以用于车载通信和视频应用。

FPGA在视频处理和无线连接方面的灵活性还能节约设备成本，增加系统的价值。目前的基本架构需要ASSP才能支持每个新的视频编解码或无线标准。用一个FPGA替代多个ASSP可以减少汽车使用寿命期间必须配置和维护的次数。扩展车载娱乐系统的基本架构，使其包含FPGA就可以提供可编程的单一高端平台，从而涵盖更宽范围的视频和无线标准和性能。这种方法同样适合高级汽车娱乐系统架构使用。

Delphi Delco电子系统公司发布了先进的汽车娱乐系统架构范例。该平台采用了一个标准的SH-4微处理器和一个日立的HD64404"Amanda"ASIC器件，提供了80%中级汽车市场所需的基本功能。该系统提供了一个带标准API层的通用控制处理器，可以对硬件外设和协处理器进行抽象。ASIC提供基本的外围器件功能和一体化的图形处理器，这种图形处理器可以支持交互图形和扩展功能，但不能提供视频编解码或其它DSP功能。该系统提供了所有娱乐设备所需的基本功能，但仍需要额外的ASIC或ASSP才能完成视频编解码和无线通信。

图二