用于汽車接口、安全和計算密集型負(fù)載FPGA的選擇和使用

傳統(tǒng)上，汽車中的計算任務(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 MCU/AP，而豪華車可能使用 70 個或更多。越來越多的汽車需要極其復(fù)雜的計算密集型功能來完成高級駕駛輔助系統(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)的極端計算需求。

為了解決這種復(fù)雜性，汽車系統(tǒng)的設(shè)計人員正在轉(zhuǎn)向現(xiàn)場可編程門陣列 (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算密集型任務(wù)。

由于可以對 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)行計算和操作，F(xiàn)PGA 可用于執(zhí)行計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。

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)和超聲波檢測器。在許多情況下，有必要從不同的傳感器獲取數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（去除噪聲并根據(jù)需要對其進(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)男袆印?/p>

一個相對較新的趨勢是部署電子（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與來自后窗攝像頭的視頻流合并。這三個信息被“拼接在一起”，以提供在超寬電子鏡上呈現(xiàn)的單一圖像，從而使駕駛員對車輛周圍發(fā)生的情況有更高程度的態(tài)勢感知。

最近的另一個趨勢是在儀表板上、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，這些車內(nèi)后視鏡可用于各種任務(wù)，例如識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┬袆印＿@些操作可能包括激活危險警告燈、應(yīng)用剎車以及將車輛引導(dǎo)到路邊。

對于基于視頻的應(yīng)用，在某些情況下，需要將單個視頻輸入拆分為多個流；在其他情況下，設(shè)計要求可能是將多個視頻流聚合為一個。

隨著電動汽車 (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 (AEC) 最初是由克萊斯勒、福特和 GM 于 1990 年代成立的一個組織，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試認(rèn)證”。

IATF 16949:2016 是一項技術(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)，由國際汽車工作組 (IATF) 和 ISO 技術(shù)委員會創(chuàng)建。

汽車市場的電子系統(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。

除了兩個強(qiáng)化的四通道 MIPI D-PHY 收發(fā)器，每個 PHY 支持 10 Gb/s (Gbits/s)，CrossLink-NX 設(shè)備還支持 5 Gbits/s PCIe、1.5 Gbits/s 可編程輸入/輸出 (I/O ) 和 1066 兆位每秒 (Mbits/s) DDR3。這些器件還支持傳統(tǒng)的電氣接口和協(xié)議，如低壓差分信號 (LVDS)、Sub-LVDS（LVDS 的降壓版本）、開放式 LVDS 顯示接口 (OLDI) 和串行千兆位媒體獨(dú)立接口 (SGMII) . 因此，這些設(shè)備可用于聚合視頻流、拆分視頻流、運(yùn)行 AI 應(yīng)用程序，并且在執(zhí)行所有這些操作的同時，還可充當(dāng)傳統(tǒng) MCU/AP 與現(xiàn)代傳感器和顯示器之間的橋梁。

希望評估 CrossLink-NX FPGA 的汽車系統(tǒng)開發(fā)人員會發(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 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 CrossLink-NX FPGA，并支持四個 MIPI Sony IMX258 圖像傳感器的聚合。（圖片來源：萊迪思半導(dǎo)體）

對于同樣需要高 I/O 帶寬的計算密集型應(yīng)用，例如用于手勢識別和控制、語音識別和控制、人體存在檢測、乘員識別和駕駛員監(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)，雙通道塊中每個器件最多四個通道，以實(shí)現(xiàn)更高粒度，多達(dá) 85K 查找表 (LUT)，增強(qiáng)型數(shù)字信號處理 (DSP) 塊，可為對稱濾波器提供 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。

一個示例 ECP5 設(shè)備是LFE5U-85F-6BG554C，具有 84,000 個邏輯元件、3.75 兆位 (Mbits) 的 RAM 和 259 個 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 PCI Express (PCIe) 外形尺寸，允許設(shè)計人員評估 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 PCI Express 外形尺寸，讓設(shè)計人員能夠評估 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)備還提供即時啟動和熱插拔功能。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 是唯一一款同時具備雙引導(dǎo)功能和少于 10K LUT 的 FPGA，它配備了經(jīng)過國家標(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)的先啟動后關(guān)閉設(shè)備的形式出現(xiàn)。系統(tǒng)通電后，MachXO3D 首先會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。

對于有興趣評估基于 MachXO3D 的設(shè)計的開發(fā)人員，LCMXO3D-9400HC-D-EVN MachXO3D 開發(fā)板提供了一個可擴(kuò)展的原型設(shè)計平臺（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 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 MachXO3D FPGA、一個 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 Hirose FX12-40 接頭位置 (DNI)、一個 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)行計算和操作，同時釋放主機(jī)處理器用于其他活動。

在安全方面，具有雙啟動功能和 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).

審核編輯：符乾江