在汽车娱乐电子中采用FPGA推动的参考设计

汽车娱乐电子推动了功能和容量的快速发展，促使设计人员在性能、成本和灵活性上做出综合考虑。与其他汽车电子领域不同，多媒体图形应用高度可视化，其需求多变，在许多情况下甚至还没有建立标准。汽车设计人员需要一个能够提供最灵活、性能最佳而成本可控的解决方案。可编程逻辑，特别是现场可编程门阵列（FPGA）便是这样的解决方案。 　　
在以前，专用集成电路（ASIC）能够为制造商提供成本效益较好的芯片方案，因此，汽车图形应用在半导体方面一般选用ASIC。但是，ASIC开发成本不断攀升，降低批量价格、快速面市的要求以及功能复杂性的提高可能会预示着汽车市场中ASIC统治时代的结束。顶级汽车供应商正在寻找一种最具成本效益的设计平台，其强大的功能和灵活性能够满足越来越复杂的汽车数字系统的需求。
　　
专用标准产品（ASSP）在汽车和消费类市场上是ASIC的一种替代方案。这类产品的主要优势在于低成本。但是，ASSP具有隐含的成本，如寻找各种功能都合适的ASSP，而不必添加外部逻辑、软件以及其他ASIC或者ASSP。而且，随着需求的不断变化，在设计早期可能不需要ASSP，设计一旦投产之后，便不再采用ASSP。
　　
FPGA能够显著缩短工程开发时间，降低多芯片重复使用成本，成为汽车图形应用中替代ASIC和ASSP的功能强大而又灵活的解决方案。ASSP可能会丢失所需功能，ASIC则有随着设计修改而必须重制的风险，而FPGA在设计过程中，可以进行编程，并根据需要重新编程，实现更快速的原型设计，加快产品面市。如果需求变化，即使是器件已经在车辆中投入使用了，FPGA也可以现场进行更新。FPGA不存在预先的ASIC流片（NRE）成本以及最小订购量问题，也不存在ASSP相关的潜在成本问题，它是系统设计最具成本效益的选择。而且，FPGA在通用硬件平台上能够重复使用的能力显得非常重要，使设计人员能够生成不同的系统，凭借一个基本设计便可以支持多种功能，从而降低制造成本。
　　
FPGA参考设计推动汽车图形技术
　　
信息娱乐应用要求越来越复杂的图形处理能力。这种处理可以在高端处理器和DSP中实现，但代价是极高的成本、复杂度和功耗。可以在系统中加入FPGA来降低图形系统的总成本、复杂度，以及性能需求。图1所示为一个标准的图形参考设计，该设计承载视频输入，覆盖LCD屏幕上显示的其他图像。

　　图1: 采用FPGA和主机处理器的汽车图形控制系统

　　
该参考设计在Altera Cyclone™ FPGA中实现了一个视频输入模块和LCD图形控制器，展示了汽车市场需要的低成本应用中，FPGA所具有的强大功能和灵活性。参考设计运行在Altera Nios II嵌入式处理器开发板上，并加入了用于实现相机/视频输入、输出显示驱动电路的模块。视频输入模块包括一个前端相机接口和用于色彩空间转换、调整和缩放的IP，以及视频存储器接口。LCD显示接口包括控制不同层之间以及图象之间半透明效果的IP功能。这些输入和输出控制模块是Altera SOPC Builder系统的组成部分，该系统用于将所有IP模块进行无缝连接。OpenGL-E图形库子集运行在主机CPU中。该库提供处理和表征位图、帧缓冲访问和图形基元绘图的所有功能。
　　
由于进行透视操作、旋转、绘制直线和多边形、纹理操作以及相似的任务时，这些扩展图形应用会占用大量的计算，因此，可能会需要一个功能非常强大的主机CPU来实现OpenGL图形库。FPGA可做为一个协处理器架构，卸载主机CPU中通常消耗大量CPU性能的算法功能。

　　图2: 带有硬件加速协处理器的图形控制系统

　　图2显示了在参考设计系统中加入图形加速协处理器的实例。该协处理器可承载多种算法，如：
　　●直接blit、拉伸blit、透明、双线性滤波、每象素alpha、着色、抗锯齿处理等位块图像传送（BLIT）操作
　　●任意宽度直线绘制、圆角、截角、alpha梯度、图像边缘模糊（模糊化）
　　●三角形、四边形等多边形绘制、alpha梯度、图像边缘模糊（模糊化）
　　●圆、椭圆和二次曲线截面绘制
　　●生成二次和三次Bézier曲线
　　
加入协处理器后，对主机CPU的CPU要求会显著降低。当然会使用更多的FPGA资源，但是系统设计人员可以自由选择在硬件中采用何种算法，具体在软件中采用哪种以优化大部分关键系统要求（速度、功耗、成本等）。
　　
我们可以进一步延伸该卸载范例，采用FPGA中实现的处理器将其他处理任务放在FPGA中。这样还具有减少系统元件和外部主机CPU的优点。图3显示了如何在FPGA中采用Nios II处理器实现其余软件控制任务（如抗锯齿处理和OpenGL兼容等）的图形参考设计。

图3: 在FPGA中实现带有主机