汽車產(chǎn)業(yè)利用可重配置硬件技術(shù)，可靈活地綜合車載功能。

　　當(dāng)今的汽車制造商正在把越來越多的高級功能添加到汽車電子控制單元 （ECU）中，以改善駕駛體驗，增強(qiáng)安全性，當(dāng)然還期望超過同類競爭產(chǎn)品的銷量。在這種情況下，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) （AUTOSAR） 計劃和功能安全國際標(biāo)準(zhǔn) ISO26262 正在快速成為汽車 ECU 設(shè)計的技術(shù)和架構(gòu)基礎(chǔ)。

　　為了滿足新車型日益提高的功能需求，汽車電子產(chǎn)品的密度不斷增大，FPGA 廠商也正在不斷推出更大型的器件。這些器件能夠集成所有的應(yīng)用，而且與前代器件相比，功耗更低，價格更具競爭力。這種趨勢意味著可重配置計算技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)將會得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

　　我們推出了一種具有開創(chuàng)性的方法，即使用可編程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平臺作為 ECU 的基礎(chǔ)，設(shè)計出一款能夠同時滿足 AUTOSAR 和 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的汽車 ECU。我們的設(shè)計方法對可重配置硬件的關(guān)鍵特性，比如并行性、可定制性、靈活性、冗余性和多功能性進(jìn)行了充分的探索。在概念設(shè)計完成后，我們希望在原型中實現(xiàn)設(shè)計。為此，賽靈思 Zynq?-7000 可擴(kuò)展處理平臺成為了理想選擇。該款 FPGA平臺將 ARM? 雙核 Cortex?-A9 MPCore 硬處理器和具備動態(tài)部分可重配置功能的 28 nm 賽靈思 7 系列可編程邏輯器件完美結(jié)合在一起，不但可充分滿足所需要求，而且還配備有 CAN 和以太網(wǎng)等車載網(wǎng)絡(luò)常用的片上通信控制器。

　　新興應(yīng)用

　　目前汽車計算能力借助通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的ECU來分配。在未來幾年內(nèi)，由于機(jī)動車輛中新應(yīng)用的興起，這樣的計算能力有望進(jìn)一步提高。這些新應(yīng)用包括安全和駕駛員輔助功能、車輛間通信功能、舒適性和控制功能、車載娛樂功能以及為數(shù)眾多的混合動力電動技術(shù)。毫無疑義，車輛電子設(shè)備的數(shù)量預(yù)計還會增加。根據(jù)分析人員的預(yù)測，汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場的規(guī)模將在未來五年內(nèi)以 8% 的年均復(fù)合增長率 （CAGR） 增長。其中增長最快的細(xì)分市場之一涉及到微控制器 （MCU） 和可編程邏輯器件，比如現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）。

　　在車載功能的數(shù)量和先進(jìn)性與日俱增的同時，設(shè)計和管理這些系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜，汽車制造商認(rèn)為有必要采取有效方式來解決這一難題。其結(jié)果就是當(dāng)今 AUTOSAR 和 ISO 26262 兩大標(biāo)準(zhǔn)都在影響著實際汽車 ECU 軟硬件系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計和部署方式（見側(cè)邊欄）。

　　2003 年由多家汽車制造商共同制定的 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)旨在為分布于車輛中的 ECU 定義標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)。而 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的目的則以功能安全性為中心，實質(zhì)上是以避免或檢測并處理故障為目的，從而減輕故障影響并防止出現(xiàn)對任何既有的系統(tǒng)安全目標(biāo)的違反行為。隨著全新的安全關(guān)鍵功能（比如駕駛員輔助或動態(tài)控制）的推出，功能安全性已經(jīng)成為汽車開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)于 2011 年批準(zhǔn)生效，可為軟硬件的安全開發(fā)提供支持。

　　因此，整個ECU 的設(shè)計和開發(fā)流程由需要系統(tǒng)性進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。我們的工作就是設(shè)計一款高性價比嵌入式計算平臺，采用可重配置硬件技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　AUTOSAR 和 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)主要從軟件開發(fā)的角度著眼，面向的是基于微控制器單元的計算平臺。但是，硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計和可重配置計算技術(shù)的應(yīng)用可為這個領(lǐng)域帶來眾多優(yōu)勢。雖然標(biāo)準(zhǔn)的 MCU 往往是汽車 ECU 硬件平臺的最佳選擇，但隨著新型 FPGA成本的不斷降低，加上部分 FPGA 產(chǎn)品內(nèi)部集成有硬核處理器，使得 FPGA 器件也成為這個市場中值得廣泛應(yīng)用的理想解決方案。此外，汽車中不斷集成新的嵌入式功能的趨勢也提出了對并行計算架構(gòu)的需求。這在當(dāng)今的車載信息娛樂領(lǐng)域尤為明顯，在這種領(lǐng)域中高速數(shù)字信號處理正在敞開大門迎接 FPGA 技術(shù)。像賽靈思這樣的可編程邏輯供應(yīng)商和像 MathWorks 這樣的 EDA 工具廠商已對這個領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯的興趣。

　　為了在汽車應(yīng)用中發(fā)揮可重配置硬件的全部優(yōu)勢，我們將以關(guān)于部署最終用戶功能的汽車計算網(wǎng)絡(luò)中最為重要的 ECU 之一——“車身控制器模塊”為重點(diǎn)，通過使用案例展現(xiàn)這種技術(shù)的潛力。該ECU也稱為“車身域控制器”，負(fù)責(zé)綜合和控制車輛中主要的電子車身功能，比如擋風(fēng)玻璃雨刷/噴水系統(tǒng)、車燈、搖窗器、引擎點(diǎn)火/熄火、車外后視鏡和中控鎖。我們的目標(biāo)是在FPGA平臺上設(shè)計出一款配備有安全關(guān)鍵功能且符合 AUTOSAR 的 ECU 系統(tǒng)。

　　實際情景

　　如果汽車制造商要想經(jīng)濟(jì)高效地管理日益復(fù)雜的車輛功能，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化則是必由之路。它能夠?qū)崿F(xiàn)分布在 ECU 中的各項功能的高度集成和軟件組件的重復(fù)使用。AUTOSAR 的主要目的是定義一個統(tǒng)一的 ECU 架構(gòu)，讓硬件與軟件分離。這樣 AUTOSAR 通過定義硬件無關(guān)的接口，可提高軟件的重復(fù)使用。換句話說，如果按照 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)編寫的軟件組件，只要正確集成到符合 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行環(huán)境中，就能夠在任何廠商的微控制器上運(yùn)行。

　　這項功能給汽車制造商帶來了更高的靈活性。由于 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在的即插即用特性，汽車制造商可以在整個汽車平臺上以透明的方式更換不同供應(yīng)商開發(fā)的相同軟件模塊的各個版本，且不會給汽車中其余功能的發(fā)揮造成負(fù)面效果。最終硬件和軟件實現(xiàn)彼此高度獨(dú)立。這種分離是通過標(biāo)準(zhǔn)軟件的 API 將抽象層互聯(lián)實現(xiàn)的。圖 1 是 AUTOSAR 定義的功能層的分解圖?！?/p>

　　圖1 從 MCU 到應(yīng)用層的 AUTOSAR 分層模型

　　底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由 MCU 自身（即 CPU 和與其相連的部分標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)）構(gòu)成。微控制器之上是基礎(chǔ)軟件（BSW），分為三層：粉色的微控制器抽象層 （MCAL）、綠色的 ECU 抽象層 （ECUAL） 和復(fù)雜驅(qū)動程序、紫色的服務(wù)層（SRV）。這三層經(jīng)組織形成了多個列或協(xié)議棧（存儲器、通信、輸入/輸出等）。

　　緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是 MCU 的抽象。該層的目的是提供一個硬件獨(dú)立的 API，負(fù)責(zé)處理微控制器中的硬件外設(shè)。微控制器抽象層的上一層是 ECU 抽象層，負(fù)責(zé)抽象 ECU 開發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸（例如，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等）。接下來的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨(dú)立性，其作用是處理所需的不同類型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統(tǒng)看門狗的 NVRAM 處理或管理。通過這三層，AUTOSAR 定義了一套基礎(chǔ)軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺下支持著汽車 ECU 各高級抽象層的所有功能。

　　第四層是運(yùn)行環(huán)境 （RTE），為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的 BSW 層和應(yīng)用層 （APP）共同訪問的一套信號（發(fā)送器/接收器端口）和服務(wù)（客戶端和服務(wù)器端口）構(gòu)成。該 RTE 從基礎(chǔ)軟件中抽象出應(yīng)用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼 （APP））與特定的硬件相關(guān)代碼 （BSW） 分離的軟件協(xié)議棧架構(gòu)。換句話說，RTE可將軟件應(yīng)用與硬件平臺分離。因此運(yùn)行在 RTE 上的所有軟件模塊都具有平臺無關(guān)性。

　　在 RTE 之上，通過應(yīng)用層，軟件架構(gòu)方式從分層變?yōu)橐越M件為基礎(chǔ)。功能主要封裝在軟件組件 （SWC） 中。因此，完成 AUTOSAR 軟件組件接口的標(biāo)準(zhǔn)化是支持各項功能跨不同車輛平臺的ECU實現(xiàn)可擴(kuò)展性和可移植性的中心環(huán)節(jié)。除復(fù)雜驅(qū)動程序外，AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定了這些組件的 API 及特性。SWC 僅通過運(yùn)行環(huán)境與其他模塊（ECU 間或內(nèi)部）通信。

　　隨著 ECU 不斷集成越來越多的功能，F(xiàn)PGA 器件成為了單核或多核MCU 的明智替代。通過從總體上把握 AUTOSAR 的不同層次，可以預(yù)見設(shè)計人員將這種架構(gòu)部署在可編程邏輯中所能帶來的優(yōu)勢。下文將更深入地介紹我們的設(shè)計如何實現(xiàn)基于定制靜態(tài)硬件（基于閃存或SRAM 的 FPGA 技術(shù)）的解決方案，然后將這種方法延伸為為一種運(yùn)行時可重配置的硬件實現(xiàn)方案（基于 SRAM 的部分可重配置 FPGA）。

基于 FPGA 靜態(tài)硬件的 ECU 設(shè)計

　　AUTOSAR 架構(gòu)非常適合由 CPU、存儲器和可編程邏輯組成的嵌入式系統(tǒng)。ECU 平臺需要一個 CPU 或主機(jī)處理器來管理應(yīng)用并處理分布在應(yīng)用層的軟件組件中的不同功能。同時，MCU 層和部分基礎(chǔ)軟件層可以在可編程邏輯結(jié)構(gòu)中的硬件中綜合。因此，除了能夠?qū)崿F(xiàn)與 CPU 相連的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，其它定制外設(shè)和協(xié)處理器也能夠在硬件中并存，并在軟件中完全或部分地加以管理。

　　另外從功能安全的角度來看，專用協(xié)處理器或內(nèi)核處理器也非常適用，因為用它們實現(xiàn)功能可讓硬件從源頭避免干擾，即便要求冗余性，也能給系統(tǒng)設(shè)計帶來高靈活性。另外，居于中間的 RTE 層可以在分布于 FPGA 中的 RAM 模塊中，或者在嵌入在器件邏輯單元中的觸發(fā)器中以及外部存儲器中綜合。而且，RTE 信號接口經(jīng)簡單設(shè)計就能夠同時進(jìn)行讀寫操作（通過單端口存儲器）或限制架構(gòu)僅進(jìn)行讀操作或者寫操作（通過配有兩個獨(dú)立讀寫端口的單個雙端口存儲器），以防范干擾，比如 AUTOSAR 所定義的彼此對應(yīng)的發(fā)送器和接收器軟件端口。

　　
圖2 將 AUTOSAR ECU 架構(gòu)移植到 FPGA 平臺上

　　建議將基于 MCU 的 AUTOSAR ECU 架構(gòu)移植到可擴(kuò)展處理平臺 （EPP） 或者 FPGA 器件上，并在各層中確保清晰的系統(tǒng)分區(qū)，如圖 2 所示。位于 RTE 層以下的有操作系統(tǒng) （OS）、存儲器協(xié)議棧、通信協(xié)議棧、I/O 協(xié)議棧等。位于 RTE 層以上的是軟件組件，它們用于實現(xiàn)應(yīng)用并通過 AUTOSAR 接口與 RTE 進(jìn)行通信。

　　由于 AUTOSAR 架構(gòu)內(nèi)在的復(fù)雜性，需要功能強(qiáng)大的嵌入式計算平臺才能進(jìn)行部署。如今，典型的 ECU 設(shè)計基于運(yùn)行在 MCU 平臺上的 32 位單核處理器。但是單核越來越難以提供所需的全部計算能力。而使用多核 CPU 需要通過多處理器總線和仲裁機(jī)制共享程序/數(shù)據(jù)存儲器，往往會導(dǎo)致高度復(fù)雜的解決方案，造成性能劣化。

　　作為這種方案的替代，我們提出了一種基于可編程邏輯的設(shè)計。這種設(shè)計只采用一個單核處理器來發(fā)揮主機(jī) CPU 的作用，但配有更智能的外設(shè)、協(xié)處理器乃至從處理器。所有這些計算單元都可以在 FPGA 架構(gòu)中例化為新的軟核處理器，比如賽靈思 PicoBlazeTM 和 MicroBlazeTM，從 FPGA 的專用 RAM 模塊運(yùn)行自己的代碼（各個軟核處理器均分別配有專用程序存儲器），此外，也可例化為定制的硬件加速器。兩種方式的拓?fù)浼軜?gòu)均由一個主機(jī) CPU 和分擔(dān) 部分CPU 任務(wù)的智能外設(shè)構(gòu)成，從而可降低系統(tǒng)復(fù)雜性。這樣，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)管理軟件中的整個應(yīng)用層，而定制外設(shè)則負(fù)責(zé)管理 BSW 層，這兩者以并行的方式彼此獨(dú)立地自動運(yùn)行。此外，這種外設(shè)設(shè)計的方法的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠讓主機(jī) CPU 的軟件執(zhí)行更加線性化，即外設(shè)不會通過中斷服務(wù)程序產(chǎn)生過多的請求 CPU 關(guān)注的中斷。圖 3 顯示了這種系統(tǒng)的方框圖及其對應(yīng)為 FPGA 器件中綜合的功能單元的組件細(xì)分情況。

　　
圖3  在 FPGA 中部署的汽車 ECU 方框圖

　　FPGA 方法能夠?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺相媲美的系統(tǒng)性能，且和單核處理器一樣簡單易用，這主要?dú)w功于采用了可與主機(jī)處理器并行處理的功能強(qiáng)大的、自動化定制協(xié)處理器。

　　這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)與多處理器平臺相媲美的系統(tǒng)性能，而且就軟件開發(fā)和維護(hù)而言，和單核處理器一樣簡單易行。通過使用專用硬件構(gòu)建可與主機(jī)處理器并行處理的功能更強(qiáng)大的自動化定制協(xié)處理器，就可實現(xiàn)這種最佳平衡。

　　從概念上來說，可以通過將這些系統(tǒng)架構(gòu)用 RTE 接口劃分為頂層和底層兩個彼此獨(dú)立的主要層次來要簡化設(shè)計。頂層相當(dāng)于 AUTOSAR 的應(yīng)用層，由負(fù)責(zé)管理車輛中最終用戶功能的軟件組件構(gòu)成。而底層則由硬件和基礎(chǔ)軟件乃至 RTE 鏈路構(gòu)成。應(yīng)用層從數(shù)值上來說，可代表約 90% 的車載高級功能，而且所有 RTE 以上的源代碼都可重復(fù)利用。

　　同時，底層包含能夠賦予頂層靈活性和多用性的全部功能。這即是說，底層可完成特定硬件平臺上所有可重用功能的定制化。這樣，頂層從本質(zhì)上說是通過以有限狀態(tài)機(jī) （FSM） 形態(tài)實現(xiàn)的算法來實現(xiàn)對某些車輛負(fù)載、傳感器和制動器的控制的一套軟件功能。這些算法由 CPU 循環(huán)執(zhí)行，并在操作系統(tǒng)控制的軟件任務(wù)中調(diào)度。

　　底層還負(fù)責(zé)實現(xiàn) CPU 連接的所有標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的驅(qū)動程序，例如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM 控制器、定時器或者存儲器控制器，從而讓頂層的抽象具備可行性。底層負(fù)責(zé)管理那些需要得到實時響應(yīng)的事件。在這方面可編程邏輯能夠起到一定的作用。其構(gòu)想為：讓主機(jī) CPU 將應(yīng)用當(dāng)作一個簡單的免受通常硬件造成的外部事件影響的軟件功能序列來處理，但要定期讀或?qū)?RTE 信號，讓 FSM 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。底層對硬件事件進(jìn)行隱藏與管理，然后在 RTE 中對其進(jìn)行預(yù)處理并更新特定信號，或作為結(jié)果，根據(jù)自身具體任務(wù)安排實時地執(zhí)行特定的行動。

　　將定制硬件控制器連接至系統(tǒng) CPU 可以最大限度地降低對共享資源的需求，只要這些控制器能夠自動運(yùn)行。從操作系統(tǒng)的角度來看，這樣做有助于降低系統(tǒng)的復(fù)雜性（避免仲裁、時延、重試機(jī)制等）。

　　采用專用硬件的另一項優(yōu)勢在于可以更簡便地實現(xiàn)一般在軟件中通過多線程才能實現(xiàn)的某些功能，因為硬件較軟件內(nèi)在更具并行性。另外，這種靈活的硬件能夠采用并行和流水線硬件設(shè)計，將算法計算強(qiáng)度高的部分進(jìn)行硬連接，而不是采用馮·諾伊曼 （Von Neumann） 計算機(jī)所采用的序列軟件方法，從而減少執(zhí)行時間。

用戶可以將在 MCU 和 BSW 層中綜合的外設(shè)和硬件協(xié)處理器設(shè)置成高智能化水平，以釋放 CPU 時間，從而簡化車載 ECU 的軟件。

　　隨著 ECU 平臺日趨復(fù)雜化，系統(tǒng)所需的 I/O 線路數(shù)也在不斷增加。在這方面 FPGA 較微控制器有明顯的優(yōu)勢，因為 FPGA一般能夠提供多得多的用戶引腳數(shù)。這一點(diǎn)一般與基于 MCU 的 ECU 有關(guān)，因為這種 ECU 需要采用執(zhí)行并-串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的外部芯片（比如數(shù)字移位寄存器或模擬多路復(fù)用器）來擴(kuò)展 ECU 的輸入和輸出。采用 FPGA 可以繞開這些外部組件，進(jìn)而縮減材料清單成本以及電子開發(fā)板的 PCB尺寸。

　　先進(jìn)的 FPGA 器件已經(jīng)集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這個特性對汽車設(shè)計意義重大，因為許多 ECU使用模擬信號（比如電池電壓）來實現(xiàn)所需的部分功能。在可編程邏輯器件中集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 FPGA 開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　與 MCU 類似，F(xiàn)PGA 也提供遠(yuǎn)程更新功能。但在這里需要提醒的是，下載到 FPGA 中的位流不僅涉及到軟件代碼，而且與硬件電路也息息相關(guān)。這意味著就算產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，仍然可以通過系統(tǒng)更新或升級來修改硬件設(shè)計。汽車產(chǎn)業(yè)非常欣賞這種靈活性，因為它能夠在產(chǎn)品發(fā)布后修改缺陷（軟/硬件均可）。

　　在任何嵌入有符合 ISO 26262安全相關(guān)要求的功能的 ECU 中，涉及該實現(xiàn)方案的軟硬件必須根據(jù)其分類滿足一定程度的保護(hù)要求。從軟件的角度講，它必須體現(xiàn)出抗干擾能力，即運(yùn)行在 ECU 中的非安全相關(guān)代碼一定不能危及同一 ECU 中安全相關(guān)類的代碼的運(yùn)行。這種隔離是保證安全相關(guān)功能與非安全相關(guān)功能在同一處理器上正確并行運(yùn)行所必須的。一般來說，在可編程邏輯中管理這些指標(biāo)比在 MCU 中具有更大的靈活性。

　　對于面向功能安全的存儲器保護(hù)策略，有必要確保只能授權(quán)的安全軟件組件有權(quán)對特定安全相關(guān)信號進(jìn)行寫入存取。在 MCU 器件環(huán)境中，存儲器分區(qū)提供了一種故障約束機(jī)制，能夠?qū)④浖?yīng)用彼此分離，避免其間發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤?？删幊踢壿嫼苡锌赡軐崿F(xiàn)一種更有效的自我保護(hù)機(jī)制。可編程邏輯可以通過專用的單個雙端口存儲器來管理與安全信號相關(guān)的 RTE 緩存，這樣數(shù)據(jù)從寫端口寫入，從讀端口讀取。采用這種方法，可以采用專用的硬件控制器給寫入或讀取這些來自軟件側(cè)的信號設(shè)置不同的約束條件。這種方法也可以采用寄存器來實現(xiàn)。

　　能夠在 ECU 系統(tǒng)中導(dǎo)入定制硬件解決方案是 FPGA 的一大優(yōu)勢，特別是對安全相關(guān)的功能而言。具體而言，對 I/O 引腳和 GPIO 控制器，在安全功能中涉及的引腳布局可以組合成定制的 I/O 端口，僅供 ECU 中的安全組件訪問，與器件的其余引腳分離。這是將系統(tǒng)的安全相關(guān)引腳與非安全相關(guān)引腳分開的理想辦法，從設(shè)計上避免了干擾的發(fā)生。任何對非安全引腳的訪問都不會破壞安全引腳的狀態(tài)，因為安全引腳只受安全相關(guān)代碼的管理。這種構(gòu)思的具體描述見圖 4。

　　
圖4 軟/硬件聯(lián)合設(shè)計的安全架構(gòu)，可將安全相關(guān)端口和非安全相關(guān)端口隔離開來，以保證無干擾

　　另外，還能夠根據(jù)應(yīng)用或處理該應(yīng)用的軟件組件的需求定制每個 GPIO 端口的大小，從而避免將 GPIO 端口轉(zhuǎn)換為不同應(yīng)用共享的物理資源，如MCU端口的情況。用這種方法，F(xiàn)PGA中每一個由不同軟件組件（比如車窗升降器、雨刷、外后視鏡等）管理的應(yīng)用都能夠?qū)⒆约禾囟ǖ亩丝谟成涞较到y(tǒng)存儲映射中特定的寄存器。這在 MCU 平臺上無法做到，因為 MCU的端口有固定尺寸（一般為8、16 或 32 位寬）且按字長尋址，而非按位尋址。因此在采用 MCU 的情況下，這種控制寄存器在程序執(zhí)行的時候變成了有多個 SWC 訪問的共享資源。

　　我們可以把用于 GPIO 控制器的策略擴(kuò)展用于其它標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。這樣 AUTOSAR 借助 SWC 概念在頂層提倡的功能分區(qū)和隔離思路也可以在可編程硬件的幫助下推廣運(yùn)用到較低層的資源上。這種技術(shù)如果采用基于標(biāo)準(zhǔn) MCU 器件的靜態(tài)硬件解決方案是無法實現(xiàn)的。

　　我們上文介紹的用于 MCU 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的隔離策略也可以用于安全功能的各個通道或數(shù)據(jù)路徑。這一特性尤其適用于按 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL 分級組織的精細(xì)分類安全目標(biāo)（見側(cè)邊欄）。此項功能可用于將各個通道或者數(shù)據(jù)路徑分解成較低 ASIL 級別的冗余分區(qū)，這樣每一個通道或路徑都以冗余方式運(yùn)行，后續(xù)根據(jù)各自的新級別予以實現(xiàn)。這種基于冗余的安全策略是選擇可編程邏輯的又一理由，因為可編程邏輯能夠在同一器件中多次例化多個相同、獨(dú)立的處理引擎。另外，滿足某個 ASIL 級別的要求用架構(gòu)方法（硬件）往往比用抽象軟件能夠更輕松明晰地證明，特別是像抗干擾這樣的功能。C 編程語言中的棧溢出或是數(shù)據(jù)指針處理不當(dāng)可能會給系統(tǒng)帶來出乎意料的安全性問題。

　　這種基于冗余的安全策略是選擇可編程邏輯的又一理由，因為可編程邏輯能夠在同一器件中多次例化多個相同、獨(dú)立的處理引擎。

　　可編程邏輯的靈活性及其對功能安全的適用性還帶來另一項設(shè)計優(yōu)勢，就是可以采用三模冗

　　余 （TMR） 策略。這是航空航天應(yīng)用中用于緩解單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU） 風(fēng)險的常見方法。這種緩解方案由三個相同邏輯電路構(gòu)成，并行執(zhí)行相同的任務(wù)，對應(yīng)的輸出由一個多數(shù)表決電路進(jìn)行比較。采用硬件實現(xiàn)這種策略效率很高。

　　另外，在這個高度關(guān)注成本和功耗的市場上，賽靈思 Zynq-7000 EPP等一些可編程邏輯器件能夠支持多項降低系統(tǒng)總體功耗的功能，其中的部分功能是從 MCU 繼承而來。像處理系統(tǒng)的僅加電模式、休眠模式和外設(shè)獨(dú)立時鐘域這樣的功能能夠大幅降低器件待機(jī)期間的動態(tài)功耗。

　　某些可編程邏輯器件在結(jié)構(gòu)中配備有硬核處理器，便于設(shè)計人員第一步先用軟件開發(fā)整個系統(tǒng)功能，就像他們尋常在 MCU 平臺上所做的一樣，隨后逐步地在設(shè)計中增加硬件，將部分設(shè)計移植到可編程邏輯資源。這種方法能夠讓設(shè)計人員為解決方案開發(fā)出不同的版本，而且與純軟件方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)在定制硬件中綜合部分功能的優(yōu)勢。

　　在運(yùn)行時可重配置硬件上進(jìn)行 ECU 設(shè)計

　　在探討完畢借助可編程邏輯在靜態(tài)硬件和軟件上實現(xiàn) ECU 的優(yōu)勢后，我們接下來探討采用基于 SRAM 并具備運(yùn)行時部分可重配置功能的 FPGA 設(shè)計 ECU。部分可重配置技術(shù)能夠為汽車設(shè)計人員提供更多優(yōu)勢。

　　事實上，其中的一大優(yōu)勢是如果 FPGA 包含有不必在啟動時（如在 ECU 喚醒或加電）配置的部分可重配置區(qū)域，可以縮短系統(tǒng)啟動時間。不支持動態(tài)部分可重配置的 FPGA在加電時需要配置所有的 FPGA 資源，但運(yùn)行時可重配置 FPGA 只需下載部分位流進(jìn)行部分重配置。

　　由于當(dāng)今先進(jìn)的 FPGA 器件具有巨大的容量，故在加電時下載完整的位流會引起可觀的配置時間開銷。運(yùn)行時部分可重配置技術(shù)能夠顯著地縮短這種配置時延。在那種情況下，有可能在加電時只配置一個最起碼的子系統(tǒng)（即引導(dǎo)載入程序和立即需要的部分系統(tǒng)應(yīng)用），讓系統(tǒng)其余部分保持待機(jī)狀態(tài)，直到有必要初始化為止。如果系統(tǒng)在加電或喚醒時需要快速響應(yīng)，可將這種啟動工作劃分為兩個階段，以加快初始化過程。為此，可將系統(tǒng)架構(gòu)分解為一個靜態(tài)域和一個或者多個部分可重配置域 （PRR）。靜態(tài)域涵蓋負(fù)責(zé)執(zhí)行啟動過程的系統(tǒng)（一般來說是主機(jī) CPU），以及可重配置引擎和通往位流庫的數(shù)據(jù)鏈路。由特定部分位流描述的其他域可按應(yīng)用需求，隨后下載。

　　另外，如果禁用 PRR 域，則可以讓器件的功耗與禁用區(qū)域部分成比例降低。在使用汽車電池供電的 ECU 中，節(jié)能模式尤為重要。為此，在車輛未使用時（即處于休眠模式時），車載 ECU 可使用低功耗模式，以讓 ECU 功耗保持最低。同樣，可以在不需要的時候使用空白位流禁用 FPGA 的部分區(qū)域，減少邏輯活動，從而降低動態(tài)功耗。

　　在采用運(yùn)行時可重配置邏輯的系統(tǒng)中，汽車設(shè)計人員還可使用一種從航空航天應(yīng)用中借鑒來的重配置技術(shù)。重配置（configuration scrubbing） 可以將系統(tǒng)從因單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU）和電磁干擾造成的 SRAM 故障中恢復(fù)過來。定期重新配置硬件外設(shè)可保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時自我修復(fù)。另外，這樣也可以將故障的最大時長限制在重配置時間間隔內(nèi)。這種技術(shù)也通常運(yùn)用在軟件中，作為一種常見的抗干擾保護(hù)措施，例如 MCU 外設(shè)的定期重配置。

　　另一項運(yùn)行時部分重配置技術(shù)的靈活性帶來的有前景的功能是在 FPGA 資源的某個特定二維位置出現(xiàn)永久性或不可修復(fù)的電路故障，比如影響到特定邏輯單元或 RAM 模塊時，可通過功能重定位實現(xiàn)故障修復(fù)。一旦發(fā)現(xiàn)有硬件或軟件故障出現(xiàn)，可以在運(yùn)行中將所需的功能自動重定位到同一 ECU 中的可編程邏輯器件的其他部分。雖然這個構(gòu)思是可行的，但這項功能還沒有得到當(dāng)今的自動化工具的完全支持。

　　適用于汽車產(chǎn)業(yè)的運(yùn)行時可重配置計算技術(shù)最強(qiáng)大的特性無疑是共享的硬件資源上功能的實時時分復(fù)用?？梢詫τ?ECU 中的相同計算資源處理的功能性應(yīng)用進(jìn)行時間共享，如果應(yīng)用間相互獨(dú)立（例如，當(dāng)車輛向前直行駛時使用行車道偏離預(yù)警功能，倒車時，則切換到后視攝像頭視圖或停車輔助應(yīng)用）。這種設(shè)計思路可以幫助降低此類嵌入式系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，釋放空間，減輕車身重量。

　　這種設(shè)計思路還可用于實現(xiàn)特定算法在不斷變化的環(huán)境條件或者外部條件中的自適應(yīng)性。例如，給定的引擎控制算法可通過部分可重配置自主調(diào)整部分硬件模塊，以在任何運(yùn)行溫度下或電池電壓下實現(xiàn)理想的運(yùn)行。同樣的理念對通信系統(tǒng)也適用，比如可以設(shè)計某種加密控制器，能夠在運(yùn)行中運(yùn)用特定的參數(shù)函數(shù)制定專門的安全等級。另如，可以設(shè)計某種 ECC 加密器/解密器 IP，用于在高噪聲通信信道中檢測和修改數(shù)據(jù)傳輸錯誤，能夠根據(jù)感應(yīng)到的信噪比動態(tài)適應(yīng)其硬件架構(gòu)。