基于FPGA的汽车ECU设计充分符合AUTOSAR和ISO 26262标准

图5显示了一个采用赛灵思 Virtex®-4 FPGA 部署的 ECU 系统的示例，由一个静态域和一个部分可重配置域构成。静态域集成了一个MicroBlaze软核处理器和一个基于 ICAP 的重配置控制器，部分可重配置域 （PRR） 则发挥着共享资源的作用，负责在不同时间换入和换出不同的功能任务或应用。

　　最后，如果将前述的构想发挥到极致，可以设计出一种通用汽车 ECU 平台。这种平台可以在生产线上进行配置并针对汽车中特定的 ECU 功能进行定制。这种构想在技术上借助可重配置硬件具有可行性，能够简化制造厂的物流要求，将存货压低到最低水平。这是因为从硬件的角度来看，在生产线上组装的模块对所有车辆都是一样的，都采用单一平台设计或产品架构（基于灵活的硬件）。只有可下载的位流会让 ECU 的功能具有差异。

　　
图5 在由部分可重配置域和静态域构成的运行时可重配置 FPGA 中实现的汽车 ECU 应用的空间分区和临时分区

　　高集成度ECU

　　在当今的汽车产业中，有约 90% 的创新来自汽车电子设备，而且这个势头方兴未艾。未来汽车将采用非常先进的软硬件技术，实现大量的新功能，比如自动驾驶、车辆间通信、娱乐以及和更高安全性。但是，对在这个以大批量制胜的产业而言，控制车载嵌入式系统的成本对汽车制造商极其重要。因此，当前的趋势是在减少车辆中的 ECU 数量的同时让每个 ECU 发挥强劲的功能。要实现这个目标需要功能更加强大的计算平台。

　　许多行业参与方共同采用的方法是开发用作域控制器的高集成度 ECU。就是将多个单核处理器或微控制器布置在同一开发板上，共享总线连接和其他资源，旨在从整车的角度降低系统复杂性。这种趋势让我们联想到可以将可重配置硬件用于 ECU 的设计，从而在有效提高计算并行性，降低 PCB 的复杂性的同时，实现最高性价比解决方案。

　　这种设计方法虽然在我们的工作中尚处于萌芽阶段，却为将 AUTOSAR 和 ISO 26262 标准与运行时可重配置硬件融合用于软/硬件联合设计，实现完整的车载嵌入式 ECU 系统奠定了基础。实际上，虽然目前 AUTOSAR 还没有覆盖到可重配置硬件，但我们不排除将来有这种可能。基于 SRAM 的运行时可重配置 FPGA 已用于航空航天应用，能够满足容易导致 SEU 的更为恶劣的环境条件的要求，况且汽车行业从历史上看有借鉴航空航天行业率先开创的风气的习惯。另外，在市场上已经存在某些合格的用于实现基于 FPGA 的安全相关系统的设计方法和工具，而且行业中涉及 FPGA 器件的标准也已经存在有相当长时间，比如用于规范航空电子业组件和系统设计的 DO-254 标准。

　　联合设计带来模式变革

　　因此，我们的工作将掀起汽车产业计算模式的变革。在特定的 ECU 应用场景中，纯软件的解决方案将被软/硬件联合设计和可重配置计算技术所取代。这是因为采用冯诺依曼型 MCU 的纯软件方法由于性能、复杂性和安全性方面的局限，已不敷使用。可编程逻辑技术的价格的不断降低，加上汽车电子控制单元性能需求的不断走高，将在不久的将来把这场变革变为现实。

　　两大关键标准

　　汽车产业在设计车载电子设备时已将两项关键标准奉为圭皋。其中一项标准是 AUTOSAR，它通过适当的软硬件架构解决嵌入式系统复杂性问题。另一项标准是即将推出的 ISO 26262，用于管理功能安全性。AUTOSAR提出的以及 ISO 26262 采用的相关技术课题主要为安全问题的检测和处理，比如运行时发生的硬件故障、时序失常和应用执行的逻辑顺序打乱、数据损坏等。

　　AUTOSAR详解

　　近年来，电子组件已经取代了车辆中的机械系统和液压系统。随着设计人员开始用软件实现更多的控制、监控和诊断功能，这种趋势正在持续。实际上，用电子技术能够实现仅用机械和液压解决方案无法开发者开发成本高的新功能。但这些部件必须满足严格的安全要求，以避免出错和故障。

　　虽然软件相关的故障目前来看比较罕见，但随着软件在汽车这种工业制品中用量的不断增加，系统变得日趋复杂，加上产品开发周期的缩短，最终可能导致产品故障。为解决这个问题，汽车产业通过结盟和实施标准，确保使用和开发安全可靠的软件。

　　比如汽车工业软件可靠性协会 （MISRA） 就是由福特和美洲豹路虎这样的汽车制造商、组件供应商和工程咨询方组成的团体。通过制定一系列软件编程规则，MISRA旨在在道路车辆的车载安全相关电子系统和其他嵌入式系统的开发工作中推广最佳实践。

汽车开放系统架构 （AUTOSAR） 是来自电子、半导体和软件行业的汽车制造商、供应商和其他公司组建的联合体为解决几项重大问题而制定的一种事实