【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)上，汽車中的計(jì)算任務(wù)由微控制器單元 (MCU) 和應(yīng)用處理器 (AP) 執(zhí)行。一輛典型的中檔汽車可以包含 25 到 35 個(gè) MCU/AP，而豪華車可能使用 70 個(gè)或更多。越來越多的汽車需要極其復(fù)雜的計(jì)算密集型功能來完成高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、信息娛樂、控制、網(wǎng)絡(luò)和安全等任務(wù)。其中許多應(yīng)用涉及圖像和視頻處理形式的機(jī)器視覺以及人工智能 (AI)。
傳統(tǒng)上，汽車中的計(jì)算任務(wù)由微控制器單元 (MCU) 和應(yīng)用處理器 (AP) 執(zhí)行。一輛典型的中檔汽車可以包含 25 到 35 個(gè) MCU/AP，而豪華車可能使用 70 個(gè)或更多。越來越多的汽車需要極其復(fù)雜的計(jì)算密集型功能來完成高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、信息娛樂、控制、網(wǎng)絡(luò)和安全等任務(wù)。其中許多應(yīng)用涉及圖像和視頻處理形式的機(jī)器視覺以及人工智能 (AI)。
單獨(dú)的處理器架構(gòu)很難處理傳感器、相機(jī)和顯示器等外圍設(shè)備所需的所有電氣接口和協(xié)議。此外，在許多情況下，這些處理器根本無法滿足機(jī)器視覺和人工智能等任務(wù)的極端計(jì)算需求。
為了解決這種復(fù)雜性，汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)，而不是取代現(xiàn)有的 MCU/AP，而是充當(dāng)它們與其他設(shè)備之間的橋梁，并通過卸載通信和其他計(jì)算密集型任務(wù)。
由于可以對(duì) FPGA 進(jìn)行編程以支持各種電氣接口和協(xié)議，因此它們可以充當(dāng) MCU/AP 與傳感器、攝像頭和顯示器之間的橋梁。此外，由于它們可以以大規(guī)模并行方式執(zhí)行計(jì)算和操作，F(xiàn)PGA 可用于執(zhí)行計(jì)算密集型視覺處理和 AI 任務(wù)，從而騰出主機(jī)處理器用于其他活動(dòng)。
本文討論了現(xiàn)代汽車的處理要求，并描述了 FPGA 可以解決的一些汽車應(yīng)用。然后介紹了萊迪思半導(dǎo)體的一些示例 FPGA，并展示了如何使用它們來解決連接、處理和安全問題。還提供了相關(guān)的開發(fā)板以幫助設(shè)計(jì)人員入門。
FPGA 的目標(biāo)汽車應(yīng)用
為了支持其 ADAS 功能，當(dāng)今的汽車在車外采用了許多傳感器，包括攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波檢測(cè)器。在許多情況下，有必要從不同的傳感器獲取數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（去除噪聲并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行格式化），并使用傳感器融合來組合數(shù)據(jù)，從而使所得信息的不確定性低于如果來自不同傳感器的數(shù)據(jù)將單獨(dú)使用。在許多情況下，人工智能應(yīng)用程序被用來分析數(shù)據(jù)、做出決策并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。
一個(gè)相對(duì)較新的趨勢(shì)是部署電子（也稱為“數(shù)字”）后視鏡。在這種情況下，后窗內(nèi)安裝了廣角高分辨率攝像頭。來自該攝像頭的視頻流顯示在數(shù)字顯示屏上，取代了傳統(tǒng)的鏡子，從而形成清晰的后方視野，不受后座乘客的阻礙。在某些情況下，來自安裝在后視鏡上的攝像頭的視頻流可能會(huì)與來自后窗攝像頭的視頻流合并。這三個(gè)信息被“拼接在一起”，以提供在超寬電子鏡上呈現(xiàn)的單一圖像，從而使駕駛員對(duì)車輛周圍發(fā)生的情況有更高程度的態(tài)勢(shì)感知。
最近的另一個(gè)趨勢(shì)是在儀表板上、轉(zhuǎn)向柱上或集成到后視鏡（常規(guī)或電子）中部署車內(nèi)攝像頭。當(dāng)與 AI 結(jié)合使用時(shí)，這些車內(nèi)后視鏡可用于各種任務(wù)，例如識(shí)別誰坐在駕駛座上并相應(yīng)地調(diào)整后視鏡和后視鏡。除了監(jiān)控司機(jī)以確保他們注意道路而不是打瞌睡外，這樣的系統(tǒng)還可以尋找困倦的跡象，以及醫(yī)療問題或痛苦，如癲癇發(fā)作或心臟病發(fā)作，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┬袆?dòng)。這些操作可能包括激活危險(xiǎn)警告燈、應(yīng)用剎車以及將車輛引導(dǎo)到路邊。
對(duì)于基于視頻的應(yīng)用，在某些情況下，需要將單個(gè)視頻輸入拆分為多個(gè)流；在其他情況下，設(shè)計(jì)要求可能是將多個(gè)視頻流聚合為一個(gè)。
隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的日益普及，需要監(jiān)控和控制電機(jī)，以及監(jiān)控和管理充電過程以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池壽命。
最重要的是，當(dāng)今的許多汽車都開始支持 5G 或 V2X，其中 V2X（“車輛到任何事物”）是指車輛與可能影響（或受其影響）車輛的任何其他實(shí)體之間的通信，從路邊基礎(chǔ)設(shè)施到其他車輛。除了這種連接性之外，還需要安全性以防止車輛被黑客入侵。
汽車級(jí)設(shè)備
重要的是要記住，并非所有 FPGA 都適合汽車應(yīng)用。汽車電子委員會(huì) (AEC) 最初是由克萊斯勒、福特和 GM 于 1990 年代成立的一個(gè)組織，目的是建立通用零件鑒定和質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)。最常被引用的 AEC 文件之一是 AEC-Q100，“基于失效機(jī)制的集成電路壓力測(cè)試認(rèn)證”。
IATF 16949:2016 是一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，旨在開發(fā)質(zhì)量管理體系，提供持續(xù)改進(jìn)、強(qiáng)調(diào)缺陷預(yù)防以及減少汽車行業(yè)供應(yīng)鏈和裝配過程中的變化和浪費(fèi)。IATF 16949:2016 基于 ISO 9001 標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際汽車工作組 (IATF) 和 ISO 技術(shù)委員會(huì)創(chuàng)建。
汽車市場(chǎng)的電子系統(tǒng)供應(yīng)商越來越要求半導(dǎo)體供應(yīng)商提供符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并且能夠證明其質(zhì)量體系的 ISO/TS-16949 認(rèn)證。
為工作選擇正確的 FPGA
FPGA 非常靈活，但不同的器件系列提供了各種能力和功能組合，使其更適合特定任務(wù)。例如，在嵌入式視覺應(yīng)用中，現(xiàn)代相機(jī)和顯示器通常采用 MIPI 接口。MIPI CSI-2（攝像頭/傳感器）和 DSI（顯示器）協(xié)議都采用稱為 D-PHY 的通信物理層 (PHY)。傳統(tǒng) MCU/AP 可能不支持此接口，但一些 FPGA 支持，例如萊迪思半導(dǎo)體的 CrossLink-NX 嵌入式視覺和處理 FPGA。
希望評(píng)估 CrossLink-NX FPGA 的汽車系統(tǒng)開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)LIFCL-VIP-SI-EVN CrossLink-NX VIP 傳感器輸入板（圖 1）和LF-EVDK1-EVN模塊化嵌入式視覺套件的組合很有趣（前者可以作為后者的輸入板）。除了 CrossLink-NX FPGA，傳感器輸入板還配備四個(gè) 13 兆像素索尼 IMX258 CMOS MIPI 圖像傳感器，支持 4K2K @ 30 幀每秒 (fps) 或 1080p @ 60 fps。它還支持通過三個(gè)獨(dú)立的 PMOD 接口輕松連接傳感器。
圖 1：可作為嵌入式視覺開發(fā)套件輸入的 CrossLink-NX VIP 傳感器輸入板包含一個(gè)
CrossLink-NX FPGA，并支持四個(gè) MIPI Sony IMX258 圖像傳感器的聚合。（圖片來源：萊迪思半導(dǎo)體）
對(duì)于同樣需要高 I/O 帶寬的計(jì)算密集型應(yīng)用，例如用于手勢(shì)識(shí)別和控制、語音識(shí)別和控制、人體存在檢測(cè)、乘員識(shí)別和駕駛員監(jiān)控等任務(wù)的 AI，萊迪思的 ECP5 FPGA 具有高達(dá) 3.2 Gbit/串行器/解串器 (SERDES)，雙通道塊中每個(gè)器件最多四個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)更高粒度，多達(dá) 85K 查找表 (LUT)，增強(qiáng)型數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 塊，可為對(duì)稱濾波器提供 2 倍的資源改進(jìn)，以及單事件擾亂 (SEU) 緩解支持。這些 FPGA 還為 LVCMOS 33/25/18/15/12、XGMII、LVTTL、LVDS、Bus-LVDS、7:1 LVDS、LVPECL 和 MIPI D-PHY I/O 接口提供可編程 I/O 支持。
一個(gè)示例 ECP5 設(shè)備是LFE5U-85F-6BG554C，具有 84,000 個(gè)邏輯元件、3.75 兆位 (Mbits) 的 RAM 和 259 個(gè) I/O。LFE5UM-45F-VERSA-EVNG ECP5 Versa 開發(fā)套件也令人感興趣（圖 2）。該板采用半長(zhǎng) PCI Express (PCIe) 外形尺寸，允許設(shè)計(jì)人員評(píng)估 ECP5 FPGA 的關(guān)鍵連接特性，包括 PCIe、千兆以太網(wǎng) (GbE)、DDR3 和通用 SERDES 性能。
圖 2：ECPe Versa 開發(fā)套件采用半長(zhǎng) PCI Express 外形尺寸，讓設(shè)計(jì)人員能夠評(píng)估 ECP5 FPGA 的關(guān)鍵連接特性，包括 PCIe、GbE、DDR3 和通用 SERDES 性能。（圖片來源：萊迪思半導(dǎo)體）
使用 FPGA 保護(hù)汽車
來自黑客的安全威脅正在增加，新的違規(guī)行為不斷發(fā)生。就汽車而言，網(wǎng)絡(luò)攻擊可能導(dǎo)致失控，導(dǎo)致乘客和行人受傷或死亡，以及汽車、其他車輛和財(cái)產(chǎn)損失。
汽車安全解決方案的很大一部分是建立信任根（RoT）；即系統(tǒng)中始終可以信任的硬件資源。一種解決方案是基于 FPGA 的硬件 RoT (HRoT)，例如萊迪思的 MachXO3D 系列器件提供的解決方案。除了大量 LUT 資源和大量 I/O 之外，這些基于閃存的設(shè)備還提供即時(shí)啟動(dòng)和熱插拔功能。通用應(yīng)用包括膠合邏輯、總線橋接、總線接口、電機(jī)控制、上電控制和其他控制邏輯應(yīng)用。
特別令人感興趣的是，MachXO3D 是唯一一款同時(shí)具備雙引導(dǎo)功能和少于 10K LUT 的 FPGA，它配備了經(jīng)過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 認(rèn)證的硬性不可變安全引擎。這使得 MachXO3D 可以作為汽車的 HRoT 以系統(tǒng)的先啟動(dòng)后關(guān)閉設(shè)備的形式出現(xiàn)。系統(tǒng)通電后，MachXO3D 首先會(huì)檢查以確保它正在運(yùn)行經(jīng)過驗(yàn)證的固件。然后它檢查系統(tǒng)中其他設(shè)備的固件。如果系統(tǒng)中的任何組件（包括其自身）受到攻擊或破壞，MachXO3D 會(huì)拒絕可疑固件并使用已知良好、經(jīng)過驗(yàn)證的固件映像重新加載該組件。
對(duì)于有興趣評(píng)估基于 MachXO3D 的設(shè)計(jì)的開發(fā)人員，LCMXO3D-9400HC-D-EVN MachXO3D 開發(fā)板提供了一個(gè)可擴(kuò)展的原型設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖 3）。該板具有 L-ASC10（模擬傳感和控制）硬件管理設(shè)備、用于 Arduino 和 Raspberry Pi 板的通用 I/O 接口、兩個(gè) Hirose FX12-40 接頭位置 (DNI)、Aardvark 接頭 (DNI ) 和 128 Mbit 串行外設(shè)接口 (SPI) 閃存，具有四重讀取功能。
圖 3：MachXO3D 開發(fā)板具有一個(gè) MachXO3D FPGA、一個(gè) L-ASC10（模擬傳感和控制）硬件管理設(shè)備、支持 Arduino 和 Raspberry Pi 板、兩個(gè) Hirose FX12-40 接頭位置 (DNI)、一個(gè) Aardvark 接頭和用于設(shè)備編程的 USB-B 連接。（圖片來源：萊迪思半導(dǎo)體）
該板采用 4 x 6 英寸外形尺寸，具有用于供電和編程的 USB mini-B 連接器，以及支持 Arduino、Aardvark、FX12、Hirose 和 Raspberry Pi 的多個(gè)接頭位置。隨附 USB 數(shù)據(jù)線和快速入門指南。
結(jié)論
現(xiàn)代汽車電子需要越來越多的傳感器、電氣接口和協(xié)議，對(duì)處理能力和帶寬也有相應(yīng)的要求。人工智能和機(jī)器視覺處理以及安全要求的增加使使用經(jīng)典 MCU 或 AP 方法的解決方案實(shí)施變得復(fù)雜。
如圖所示，通過適當(dāng)應(yīng)用 FPGA，設(shè)計(jì)人員可以增加一定程度的靈活性和處理能力，以橋接不同的處理環(huán)境，執(zhí)行傳感器聚合和融合功能，滿足 I/O 帶寬要求，并以大規(guī)模并行方式執(zhí)行計(jì)算和操作，同時(shí)釋放主機(jī)處理器用于其他活動(dòng)。
在安全方面，具有雙啟動(dòng)功能和 NIST 認(rèn)證的不可變安全引擎的基于閃存的 FPGA 可以充當(dāng)汽車的 HRoT，并確保它和其他設(shè)備僅運(yùn)行經(jīng)過身份驗(yàn)證的固件，從而防止黑客以密碼方式破壞汽車系統(tǒng)。
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