可重構計算技術在汽車電子領域的應用

1 引言

為了提高汽車的可靠性、功能性和舒適性，電子技術在汽車上被廣泛應用。汽車歷經百余年的發(fā)展，其機械結構已經達到了近乎完美的程度，業(yè)界對汽車機械性能的改善已經很難再有更大的提升空間。電子技術與機械結構的結合，被認為是當前汽車技術發(fā)展過程中的一次“革命”。

汽車電子技術是汽車設計中的核心技術。汽車電子化的程度是衡量一個國家汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。汽車的設計者利用汽車電子技術開發(fā)新的車型，把它作為改善和提高汽車整體水平所采用的最重要的技術方案；汽車制造商則通過加快汽車電子化的進程，把增加汽車電子裝置的數量等措施作為汽車的新賣點和奪取未來汽車市場的最重要手段。目前在國際上的中、高檔轎車的設計中，汽車電子產品平均已經占到了汽車制造成本的27%。這個數字還在不斷創(chuàng)造新高。據英飛凌（Infineon）公司預測，到2010年用于轎車上的汽車電子裝置的支出平均將占到整車制造成本的50%。而在我國，每輛汽車的平均汽車電子設備應用比例要比國際水平低5.5倍[1]。汽車電子技術的發(fā)展與應用是目前我國汽車產業(yè)進步所面臨的一大契機和挑戰(zhàn)。

可重構計算技術成形于上個世紀九十年代中期[2]。如圖1所示，其主要思想是利用可重構邏輯器件（如FPGA）的可重構特性，通過不同的器件配置文件來改變器件實現的功能，從而能夠以硬件的性能靈活實現多種應用。可重構計算技術避免了微處理器計算模式因為取指、譯碼等步驟導致的性能損失，同時也消除了專用集成電路（ASIC）計算模式因為前期設計制造的復雜過程帶來的高代價和不可重用等缺陷?？芍貥嬘嬎慵夹g目前已經應用在了很多領域，如目標匹配、大數值運算等等，都取得了非常好的效果。

圖1：微處理器、可重構計算、專用集成電路等三種計算模式的比較

汽車電子產品有著很多特殊的需求，而可重構計算作為一項新興的技術，具有的高性能、高靈活性、低開發(fā)周期、低成本等特征非常適合于汽車電子領域的應用。

2 汽車電子領域的需求分析

從1950年美國通用公司開創(chuàng)了將半導體技術應用于汽車制造領域的先河—將晶體管收音機安裝在汽車上開始，汽車電子產業(yè)歷經50多年的發(fā)展，目前已經形成了功能多樣化、技術一體化、系統(tǒng)集成化、通信網絡化、技術標準化等技術特征。當前，汽車電子技術已經進入了優(yōu)化人-汽車-環(huán)境的整體關系的研究階段。汽車在滿足安全、節(jié)能、環(huán)保的同時，將進一步滿足人們生活的需要，向舒適、便利、高效、數字化、信息化和智能化方向發(fā)展。

汽車電子技術主要有兩個大的應用領域：一個是汽車電子控制系統(tǒng)，另一個是車載汽車電子裝置[3]。其中，汽車電子控制系統(tǒng)是機械和電子相結合的汽車電子產品，它的工作狀況會直接影響到汽車的性能。而車載汽車電子裝置則是可以在汽車環(huán)境下獨立使用的電子裝置，它的性能好壞并不影響汽車的性能。相比之下，汽車電子控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)涉及到了機械和電子兩個學科領域，這兩部分的研發(fā)要協(xié)同進行，所以整個過程比較復雜。車載電子裝置是IT行業(yè)中的應用在汽車領域的擴展，種類較多，例如遙控中央門鎖、車載電話、后座娛樂系統(tǒng)、GPS導航系統(tǒng)、車載計算機等等。這些產品因和整車的性能無關，可以獨立地進行開發(fā)，所以和汽車電子控制系統(tǒng)相比，在開發(fā)的環(huán)節(jié)上比較簡單。

汽車電子領域對電子技術發(fā)展的主要需求有如下幾個方面：

· 性能高。目前在汽車電子產品中對性能要求最高的部分是車內的信息娛樂系統(tǒng)。一個信息娛樂系統(tǒng)可能包括多通道音頻系統(tǒng)、DVD播放器、GPS導航系統(tǒng)以及免提移動電話等等。這些子系統(tǒng)中涉及到的功能（如視頻處理等操作）需要強大的信號處理能力，對性能要求極高。另外，隨著汽車主動安全理念的深入人心，新的汽車安全系統(tǒng)開始采用圖像、視頻和雷達處理，同時引擎和剎車控制系統(tǒng)也將采用更復雜的計算控制策略，計算量龐大的實時運算將在應付突發(fā)事件的時候發(fā)揮重要作用。這也給相關的汽車電子產品的處理能力提出了挑戰(zhàn)。

· 靈活性強。汽車的設計者和制造商都面臨的一個嚴峻問題是必須保證汽車電子設備的壽命與汽車的壽命相匹配。汽車電子設備的生命周期很短，不斷出現的新興的汽車標準以及標準本身的不斷變化進一步導致選擇標準時必須考慮到其壽命、靈活性以及被接受的廣泛程度。為了保證汽車電子產品能夠緊跟汽車產業(yè)的發(fā)展，就要求汽車電子產品具有相當的靈活性使其能夠根據需求做適時的改動。在當前各種新的技術標準層出不窮，而業(yè)界又缺乏占據有絕對優(yōu)勢的標準的時候，對汽車電子技術的這一需求顯得尤其重要。

· 可靠性高。汽車作為一類特殊的產品，經常會工作在惡劣的環(huán)境下，這對應用在其中的電子產品的可靠性提出了嚴格要求。電子產品的精密性使它成為影響整車可靠性、安全性的重要因素。特別是在汽車電子控制系統(tǒng)中，高溫的工作環(huán)境往往會給電子產品帶來損傷，這極大地增加了整車的危險性。這就要求電子產品能夠抵御住惡劣工作環(huán)境的干擾，同時具有適當的容錯能力，能夠在受到部分損傷的時候將其造成的影響降到最低。

· 開發(fā)時間短。盡量縮短新車型新產品的研發(fā)時間是汽車設計者和制造商追求的目標之一。圖2顯示出在汽車電子產品方面的新技術研發(fā)周期是非常短的。這就要求汽車電子技術的研發(fā)需要有方便快捷的開發(fā)平臺，并且在技術研發(fā)上有延續(xù)性和可復用性，盡量縮短開發(fā)時間。特別是在車載汽車電子裝置的研發(fā)中，因為它們與汽車本身的性能無關，所以更可以不受到整車其它部分研發(fā)進展的約束，需要在盡量短的時間內開發(fā)出適合需要的產品。

· 成本低。汽車產業(yè)對價格的影響十分敏感。價格是決定汽車產品競爭力的重要因素之一。選用合適的技術、材料和器件對汽車工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著汽車電子產品在整車成本中所占份額的增加，盡量降低這部分電子產品的成本是一個極為關鍵的問題。

圖2：汽車領域項目創(chuàng)新周期和開發(fā)時間示意圖[4]

以上我們討論了在汽車電子領域對電子產品技術的一些基本需求。除此之外汽車電子產品還需要盡量降低能耗以及減少占據的空間等。

3 可重構計算技術在汽車電子領域的應用前景

在當前的汽車電子產品中，大量使用了微處理器和專用集成電路實現關鍵功能?？芍貥嬘嬎慵夹g的出現為汽車電子產品提供了另一個高效靈活的選擇。

可重構計算技術的發(fā)展主要依賴于可重構邏輯器件技術和動態(tài)重構技術的發(fā)展。隨著半導體技術的進步，目前商用的可重構邏輯器件在單片上已經可以集成數以百萬計的基本邏輯門單元和其它各種復雜的計算邏輯，甚至有的高端器件上已經集成了多個微處理器核進一步加強器件的計算能力[5]。這為原來只是用于實現簡單的膠合邏輯和原形系統(tǒng)設計的可重構邏輯器件能夠逐步占領計算系統(tǒng)的核心地位提供了基本支持。動態(tài)重構是當前可重構計算技術的研究熱點之一，它是指在不影響當前系統(tǒng)正常運行的前提下，將可重構邏輯器件上的部分資源配置為新的功能，從而提高資源利用率和增加系統(tǒng)性能。動態(tài)重構是可重構技術的發(fā)展方向，目前主要集中在如何減少器件重構開銷、優(yōu)化資源調度等方面的研究上。

與傳統(tǒng)的采用微處理器和專用集成電路的汽車電子產品相比較，利用可重構計算技術的汽車電子產品具有以下優(yōu)點：

· 可重構計算技術能夠高效實現特定功能?？芍貥嬤壿嬈骷隙际怯策B線邏輯，它是通過改變器件的配置來改變功能的。器件的配置信息一旦被加載，整個系統(tǒng)就可以以硬件的性能大大加快功能的實現。汽車電子產品中那些計算量龐大的功能，典型的例子如視頻處理，其核心算法是定點數據上的算術密集型信號處理操作。經過研究發(fā)現，這些操作是適合在可重構邏輯器件上高效實現的。將可重構邏輯器件用于加速核心算法的執(zhí)行，再補充另外的微處理器與之耦合用于執(zhí)行輔助功能，如輸入、輸出等操作，是很好的可重構計算系統(tǒng)的構建方式。目前已經有多個利用可重構計算技術的高效的視頻處理系統(tǒng)，并已經在汽車電子領域廣泛使用[6]。

· 可重構計算技術能夠通過動態(tài)改變器件配置來靈活滿足多種功能需求。動態(tài)可重構特性使得同一可重構邏輯器件能夠滿足不同的設計需求，這一點是傳統(tǒng)的專用集成電路計算模式不能夠達到的。汽車電子產品不同于一般的電子產品，它受到了很多因素的束縛。例如車型的限制，采用相同基本設計的同一款汽車會有經濟型、標準型和豪華型等不同型號。這就要求針對不同的型號都要有相應的電子產品支持。為每個型號的汽車都分別設計專門的計算核心單元和外圍電路的代價是高昂的，可重構計算技術就可以消除這個障礙。汽車設計者可以僅開發(fā)出一款運用了可重構邏輯器件的原型系統(tǒng)，然后根據不同的車型要求靈活地將可重構邏輯器件配置為相應的功能。另外，由于在業(yè)界缺少占有絕對優(yōu)勢的標準，采用何種技術標準也是設計者必須解決的難題。例如，當前車上總線就有LIN、CAN、MOST等多種標準共存，不同標準的技術參數都有很大差異，為了使這些總線標準間不發(fā)生沖突，就可以考慮利用可重構邏輯器件作為各標準間的橋接邏輯。

· 可重構計算技術適合惡劣工作環(huán)境下的應用。當前的可重構計算技術已經經受住了很多極端工作環(huán)境的考驗，例如NASA的“勇氣”號和“機遇”號火星車上就使用了大量可重構邏輯器件。在汽車應用領域，溫度會給汽車電子產品帶來最大的損傷。業(yè)界最高的節(jié)點溫度是150攝氏度，而用于惡劣環(huán)境下的可重構邏輯器件的特殊封裝足夠保證系統(tǒng)在此情況下的正常運行。利用可重構邏輯器件的另一個優(yōu)勢是不需要微處理器必需的散熱系統(tǒng)，大大減少了電子產品占據的空間。另外可重構邏輯器件具有的大量的冗余可重構邏輯資源，使得當器件的某些區(qū)域被破壞的時候，系統(tǒng)可以使用動態(tài)重構技術自動避開這些區(qū)域同時利用周邊的其它邏輯資源組合替代該區(qū)域被破壞的功能。

· 可重構計算技術具有強大的技術支持來加速產品開發(fā)。不同于專用集成電路的設計，可重構計算技術不需要大量的NRE（Non-Recurring Engineering）工作。器件廠商會配合不同的可重構邏輯器件提供相應的開發(fā)工具和流程，同時還會提供大量參考設計和IP核以減少設計者的重復勞動并提高設計的可靠性。還有很多技術已經成熟的仿真工具和驗證工具可以在設計的各個階段用于保證設計的正確性，減少了出錯返工導致的時間浪費。

· 可重構計算技術的使用能夠大大降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)成本的降低主要體現在兩個部分：一個是在設計過程中，另一個是在運行過程中。目前的車用可重構邏輯器件的單價最低已經降至1.5美元，而且利用它實現應用的開發(fā)成本又遠遠低于專用集成電路?？芍貥嬤壿嬈骷撵`活性使得它不必像專用集成電路一樣，一個細微的修改就會導致整個電路的重新設計與制作。同時，在系統(tǒng)運行的時候經過分析可以確定有的功能不會同時被使用，那么設計者就可以考慮利用動態(tài)重構技術在不同的需求時段里分別實現這兩個功能，做到“一片多用”，節(jié)省了資源、空間和成本。

從上面的討論可以看出，將可重構計算技術應用于汽車電子領域有著很大的優(yōu)勢，是切實可行的技術方案。當前，業(yè)界也已經注意到了可重構計算技術的應用前景。

4 可重構計算技術在汽車電子領域面臨的問題

雖然可重構計算技術當前已經在多個領域取得了長足進展，但是在汽車電子領域具體應用的時候，還會面臨很多問題。下面列舉幾個最典型的問題：

· 可重構邏輯器件的選型。目前生產商用可重構邏輯器件的幾大廠商：Xilinx，Actel，Altera和Lattice等都已經開始關注汽車電子領域并陸續(xù)有產品推出。這些產品的硬件結構、處理能力和市場價格等都各不相同。如何針對應用進行合適的器件選型是一個非常重要的問題。當前的可重構邏輯器件基本都是基于SRAM、Flash或者反熔絲技術。這三種技術各有千秋，其中主流的基于SRAM的器件目前已經具有非常強大的處理能力；基于Flash的器件較少但是性價比較高；基于反熔絲技術的器件不具有多次重構的能力但是可靠性較好。所以針對不同的應用場合進行器件選型需要在對應用和器件信息都非常熟悉的基礎上進行。

· 可重構邏輯器件上應用的實現。雖然目前已經有多種方法簡化了利用可重構計算技術實現應用的開發(fā)過程。但是用硬件描述語言或者硬件原理圖來設計由可重構邏輯器件執(zhí)行的應用程序對于大部分應用開發(fā)者來說還是陌生和困難的。為了排除軟件設計者在軟件算法的硬件化實現中碰到的困難，已經有多種類高級語言的硬件描述語言被開發(fā)出來，但是這些技術還并不成熟。由EDA軟件廠商推出的各種硬件應用設計軟件，也還存在著一些局限和缺陷，而且不能夠完全發(fā)揮出可重構計算技術的威力。這就要求汽車電子產品的設計者務必掌握利用可重構計算技術的設計思想并將其滲透到產品的設計中去。

· 可重構邏輯器件的可靠性保證。不同于傳統(tǒng)的微處理器和專用集成電路計算模式，可重構邏輯器件是通過改變器件配置來改變功能的。特別是基于SRAM的器件，是由存儲在器件上的配置信息來控制器件中各邏輯單元間的硬連線的。因此通過配置端口輸入其它的配置信息就可能改變甚至損壞器件的功能，而在以前則不會出現類似情況。為了防范這些問題，就需要在關鍵電子設備上采用基于反熔絲技術的只能一次重構的可重構邏輯器件或者使用對配置信息加密等方法。

· 動態(tài)重構技術的研發(fā)與使用。雖然動態(tài)重構技術在理論上已經有了很大發(fā)展，并且有很多原型系統(tǒng)已經被開發(fā)。但是由于技術條件限制，目前缺乏具有普適性的研發(fā)方法，真正使用在產品上的技術也還有一些不足。這需要業(yè)界和學術界協(xié)作，針對汽車電子領域的關鍵應用進行攻關，盡量多地將當前已經成熟的動態(tài)重構技術應用在汽車電子產品上，帶來高效率、高資源利用率等優(yōu)勢。同時開展對動態(tài)重構技術的方法學的研究，為將動態(tài)重構技術更廣泛地應用在電子產品領域提供技術保障。

5 總結

汽車電子已經在整個汽車行業(yè)中占據了很重要的地位，擁有廣闊的市場前景，發(fā)展汽車電子產業(yè)是發(fā)展汽車行業(yè)的當務之急。汽車電子產品由于其應用的特殊領域具有很多特殊的需求，相比之下傳統(tǒng)的微處理器和專用集成電路計算模式已經不能夠很好地滿足這些需求。可重構計算技術充分利用可重構邏輯器件的可重構特性，結合動態(tài)重構技術，能夠高效靈活地實現汽車電子應用，同時在可靠性、開發(fā)時間以及系統(tǒng)成本等方面具有傳統(tǒng)方式不可比擬的優(yōu)勢。雖然目前在實際應用中還存在著一些問題，但是已經引起了業(yè)界和學術界的極大關注。我們相信可重構計算技術代表了汽車電子產品研發(fā)的技術趨勢，一定會在汽車電子領域大有作為。