【導讀】傳統上，汽車中的計算任務由微控制器單元 (MCU) 和應用處理器 (AP) 執行。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雜的計算密集型功能來完成高級駕駛輔助系統 (ADAS)、信息娛樂、控制、網絡和安全等任務。其中許多應用涉及圖像和視頻處理形式的機器視覺以及人工智能 (AI)。
傳統上，汽車中的計算任務由微控制器單元 (MCU) 和應用處理器 (AP) 執行。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雜的計算密集型功能來完成高級駕駛輔助系統 (ADAS)、信息娛樂、控制、網絡和安全等任務。其中許多應用涉及圖像和視頻處理形式的機器視覺以及人工智能 (AI)。
單獨的處理器架構很難處理傳感器、相機和顯示器等外圍設備所需的所有電氣接口和協議。此外，在許多情況下，這些處理器根本無法滿足機器視覺和人工智能等任務的極端計算需求。
為了解決這種復雜性，汽車系統的設計人員正在轉向現場可編程門陣列 (FPGA)，而不是取代現有的 MCU/AP，而是充當它們與其他設備之間的橋梁，并通過卸載通信和其他計算密集型任務。
由于可以對 FPGA 進行編程以支持各種電氣接口和協議，因此它們可以充當 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模并行方式執行計算和操作，FPGA 可用于執行計算密集型視覺處理和 AI 任務，從而騰出主機處理器用于其他活動。
本文討論了現代汽車的處理要求，并描述了 FPGA 可以解決的一些汽車應用。然后介紹了萊迪思半導體的一些示例 FPGA，并展示了如何使用它們來解決連接、處理和安全問題。還提供了相關的開發板以幫助設計人員入門。
FPGA 的目標汽車應用
為了支持其 ADAS 功能，當今的汽車在車外采用了許多傳感器，包括攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波檢測器。在許多情況下，有必要從不同的傳感器獲取數據，對這些數據進行預處理（去除噪聲并根據需要對其進行格式化），并使用傳感器融合來組合數據，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據將單獨使用。在許多情況下，人工智能應用程序被用來分析數據、做出決策并采取適當的行動。
一個相對較新的趨勢是部署電子（也稱為“數字”）后視鏡。在這種情況下，后窗內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字顯示屏上，取代了傳統的鏡子，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的單一圖像，從而使駕駛員對車輛周圍發生的情況有更高程度的態勢感知。
最近的另一個趨勢是在儀表板上、轉向柱上或集成到后視鏡（常規或電子）中部署車內攝像頭。當與 AI 結合使用時，這些車內后視鏡可用于各種任務，例如識別誰坐在駕駛座上并相應地調整后視鏡和后視鏡。除了監控司機以確保他們注意道路而不是打瞌睡外，這樣的系統還可以尋找困倦的跡象，以及醫療問題或痛苦，如癲癇發作或心臟病發作，并采取適當的措施行動。這些操作可能包括激活危險警告燈、應用剎車以及將車輛引導到路邊。
對于基于視頻的應用，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，需要監控和控制電機，以及監控和管理充電過程以實現最長的電池壽命。
最重要的是，當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）車輛的任何其他實體之間的通信，從路邊基礎設施到其他車輛。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。
汽車級設備
重要的是要記住，并非所有 FPGA 都適合汽車應用。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量體系標準。最常被引用的 AEC 文件之一是 AEC-Q100，“基于失效機制的集成電路壓力測試認證”。
IATF 16949:2016 是一項技術規范，旨在開發質量管理體系，提供持續改進、強調缺陷預防以及減少汽車行業供應鏈和裝配過程中的變化和浪費。IATF 16949:2016 基于 ISO 9001 標準，由國際汽車工作組 (IATF) 和 ISO 技術委員會創建。
汽車市場的電子系統供應商越來越要求半導體供應商提供符合 AEC-Q100 標準的產品，并且能夠證明其質量體系的 ISO/TS-16949 認證。
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。例如，在嵌入式視覺應用中，現代相機和顯示器通常采用 MIPI 接口。MIPI CSI-2（攝像頭/傳感器）和 DSI（顯示器）協議都采用稱為 D-PHY 的通信物理層 (PHY)。傳統 MCU/AP 可能不支持此接口，但一些 FPGA 支持，例如萊迪思半導體的 CrossLink-NX 嵌入式視覺和處理 FPGA。
希望評估 CrossLink-NX FPGA 的汽車系統開發人員會發現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立的 PMOD 接口輕松連接傳感器。
圖 1：可作為嵌入式視覺開發套件輸入的 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：萊迪思半導體）
對于同樣需要高 I/O 帶寬的計算密集型應用，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控等任務的 AI，萊迪思的 ECP5 FPGA 具有高達 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，以實現更高粒度，多達 85K 查找表 (LUT)，增強型數字信號處理 (DSP) 塊，可為對稱濾波器提供 2 倍的資源改進，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，允許設計人員評估 ECP5 FPGA 的關鍵連接特性，包括 PCIe、千兆以太網 (GbE)、DDR3 和通用 SERDES 性能。
圖 2：ECPe Versa 開發套件采用半長 PCI Express 外形尺寸，讓設計人員能夠評估 ECP5 FPGA 的關鍵連接特性，包括 PCIe、GbE、DDR3 和通用 SERDES 性能。（圖片來源：萊迪思半導體）
使用 FPGA 保護汽車
來自黑客的安全威脅正在增加，新的違規行為不斷發生。就汽車而言，網絡攻擊可能導致失控，導致乘客和行人受傷或死亡，以及汽車、其他車輛和財產損失。
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，這些基于閃存的設備還提供即時啟動和熱插拔功能。通用應用包括膠合邏輯、總線橋接、總線接口、電機控制、上電控制和其他控制邏輯應用。
特別令人感興趣的是，MachXO3D 是唯一一款同時具備雙引導功能和少于 10K LUT 的 FPGA，它配備了經過國家標準與技術研究院 (NIST) 認證的硬性不可變安全引擎。這使得 MachXO3D 可以作為汽車的 HRoT 以系統的先啟動后關閉設備的形式出現。系統通電后，MachXO3D 首先會檢查以確保它正在運行經過驗證的固件。然后它檢查系統中其他設備的固件。如果系統中的任何組件（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、經過驗證的固件映像重新加載該組件。
對于有興趣評估基于 MachXO3D 的設計的開發人員，LCMXO3D-9400HC-D-EVN MachXO3D 開發板提供了一個可擴展的原型設計平臺（圖 3）。該板具有 L-ASC10（模擬傳感和控制）硬件管理設備、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 串行外設接口 (SPI) 閃存，具有四重讀取功能。
圖 3：MachXO3D 開發板具有一個 MachXO3D FPGA、一個 L-ASC10（模擬傳感和控制）硬件管理設備、支持 Arduino 和 Raspberry Pi 板、兩個 Hirose FX12-40 接頭位置 (DNI)、一個 Aardvark 接頭和用于設備編程的 USB-B 連接。（圖片來源：萊迪思半導體）
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 數據線和快速入門指南。
結論
現代汽車電子需要越來越多的傳感器、電氣接口和協議，對處理能力和帶寬也有相應的要求。人工智能和機器視覺處理以及安全要求的增加使使用經典 MCU 或 AP 方法的解決方案實施變得復雜。
如圖所示，通過適當應用 FPGA，設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境，執行傳感器聚合和融合功能，滿足 I/O 帶寬要求，并以大規模并行方式執行計算和操作，同時釋放主機處理器用于其他活動。
在安全方面，具有雙啟動功能和 NIST 認證的不可變安全引擎的基于閃存的 FPGA 可以充當汽車的 HRoT，并確保它和其他設備僅運行經過身份驗證的固件，從而防止黑客以密碼方式破壞汽車系統。
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