基于FPGA的汽车ECU设计充分符合AUTOSAR和ISO 26262标准(一)

汽车产业利用可重配置硬件技术，可灵活地综合车载功能。

　　当今的汽车制造商正在把越来越多的高级功能添加到汽车电子控制单元 （ECU）中，以改善驾驶体验，增强安全性，当然还期望超过同类竞争产品的销量。在这种情况下，汽车开放系统架构 （AUTOSAR） 计划和功能安全国际标准 ISO26262 正在快速成为汽车 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。这些器件能够集成所有的应用，而且与前代器件相比，功耗更低，价格更具竞争力。这种趋势意味着可重配置计算技术在汽车产业将会得到进一步推广和应用。

　　我们推出了一种具有开创性的方法，即使用可编程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平台作为 ECU 的基础，设计出一款能够同时满足 AUTOSAR 和 ISO 26262 标准的汽车 ECU。我们的设计方法对可重配置硬件的关键特性，比如并行性、可定制性、灵活性、冗余性和多功能性进行了充分的探索。在概念设计完成后，我们希望在原型中实现设计。为此，赛灵思 Zynq?-7000 可扩展处理平台成为了理想选择。该款 FPGA平台将 ARM? 双核 Cortex?-A9 MPCore 硬处理器和具备动态部分可重配置功能的 28 nm 赛灵思 7 系列可编程逻辑器件完美结合在一起，不但可充分满足所需要求，而且还配备有 CAN 和以太网等车载网络常用的片上通信控制器。

　　新兴应用

　　目前汽车计算能力借助通过通信网络互连的ECU来分配。在未来几年内，由于机动车辆中新应用的兴起，这样的计算能力有望进一步提高。这些新应用包括安全和驾驶员辅助功能、车辆间通信功能、舒适性和控制功能、车载娱乐功能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还会增加。根据分析人员的预测，汽车应用半导体市场的规模将在未来五年内以 8% 的年均复合增长率 （CAGR） 增长。其中增长最快的细分市场之一涉及到微控制器 （MCU） 和可编程逻辑器件，比如现场可编程门阵列 （FPGA）。

　　在车载功能的数量和先进性与日俱增的同时，设计和管理这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这一难题。其结果就是当今 AUTOSAR 和 ISO 26262 两大标准都在影响着实际汽车 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对任何既有的系统安全目标的违反行为。随着全新的安全关键功能（比如驾驶员辅助或动态控制）的推出，功能安全性已经成为汽车开发中的关键问题之一。ISO 26262 标准于 2011 年批准生效，可为软硬件的安全开发提供支持。

　　因此，整个ECU 的设计和开发流程由需要系统性进程的标准进行管理。我们的工作就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 标准主要从软件开发的角度着眼，面向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这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，但随着新型 FPGA成本的不断降低，加上部分 FPGA 产品内部集成有硬核处理器，使得 FPGA 器件也成为这个市场中值得广泛应用的理想解决方案。此外，汽车中不断集成新的嵌入式功能的趋势也提出了对并行计算架构的需求。这在当今的车载信息娱乐领域尤为明显，在这种领域中高速数字信号处理正在敞开大门迎接 FPGA 技术。像赛灵思这样的可编程逻辑供应商和像 MathWorks 这样的 EDA 工具厂商已对这个领域表现出明显的兴趣。

　　为了在汽车应用中发挥可重配置硬件的全部优势，我们将以关于部署最终用户功能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，通过使用案例展现这种技术的潜力。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，比如挡风玻璃雨刷/喷水系统、车灯、摇窗器、引擎点火/熄火、车外后视镜和中控锁。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且符合 AUTOSAR 的 ECU 系统。

　　实际情景

如果汽车制造商要想经济高效地管理日益复杂的车辆功能，经 AUTOSAR 提倡的 ECU 系统架构的标准化则是必由之路。它能够实现分布在 ECU 中的各项功能的高度集成和软件组件的重复使用。AUTOSAR 的主要目的是定义一个统一的 EC