在汽車電子中廣為采用的微控制器（MCU）經過全速發展目前遇到了時間和成本障礙。采用MCU帶來的主要好處一直體現在高水平的系統集成和相對低的成本。但在使用MCU時存在遠超過這些器件本身價值的額外隱性成本。例如，若選用的器件不具備所需的全部特性，則必須增加外部邏輯、軟件或其它集成器件。

另外，在當今汽車領域，終端市場需求的善變更是屢見不鮮，想用的MCU常常無從購買。甚至許多有專門特性和固定數量專用接口的MCU經過短暫的評估階段后就不再能滿足市場需求，系統供應商不得不重新設計硬件及編寫相關軟件，在某些情況甚至必須改變處理器內核。

微控制器的兩難處境

微控制器制造商面對的是影響整個市場的挑戰。MCU是一種特殊應用的產品；因此每一應用都需要一款具有不同性能集的新器件。為了使單個內核架構能夠服務更大的市場需求，制造商提供多種規格、并且具有不同接口和功能的MCU系列產品。在大多數情況下，該特性集并不能滿足客戶特定需要；所以對批量大的客戶需求，不得不圍繞一個特定內核架構來衍生出一款具有新接口和新功能的器件。

當MCU是用制造成本相對較低的老工藝技術實現時，這種策略是成功的。但隨著系統集成度的提高，先進的工藝技術被越來越多地采用，因此開發新的MCU變種需要的費用非常可觀。因只有為數不多的目標市場能提供所需批量，所以為了滿足某個客戶需求單獨開發一款專門器件的作法在經濟上是行不通的。

這樣，新MCU就配備起越來越豐富的特性以迎合全部市場需要，其戰略是轉向功能更豐富的標準產品而不是特殊應用器件。雖然這些標準產品的功能很強大，但其成本也急劇升高，也就更難滿足諸如汽車電子等對成本很敏感的市場要求。

若不消除造成這種兩難局面的根源，我們將束手無策，而根源就是芯片內的功能是一成不變的。因此顯然需要一種新的設計方法。

靈活MCU的概念

破除該謎局的方法是用FPGA靈活地實現各功能。FPGA能顯著縮短工程開發時間，降低多次硅返工造成的損失，因此它是取代MCU的一個強有力且可行的替代方案。例如，采用基于FPGA的方法來為汽車音響和導航設備開發靈活的圖像系統可將開發時間縮短6個月。

與不具備所需特性的MCU不同，在設計過程中，可根據需要對FPGA進行編程和反復編程，從而更快地生成原型、加快產品上市進度。若需要改變，還可在現場對FPGA實施升級，即使該FPGA已被安裝在產品內。

汽車圖形控制器是FPGA優于傳統MCU的關鍵應用之一。在汽車市場，雖然在諸如圖形等功能有限的應用中采用低成本FPGA的作法已深入人心，但若用可編程器件實現更復雜的功能則過于昂貴，原因在于實現可編程能力對芯片開銷有巨大要求。

但由于目前已能從FPGA無縫轉換為結構化ASIC，因此有可能實現一款既具高性價比又真正滿足用戶要求的MCU，其特性可以從一個大的預先定義好且可擴展的構建模塊庫中按需索取。

它與傳統MCU的主要區別是，從原型FPGA到最終MCU可以實現無縫移植。從靈活的MCU概念上講，CPU和總線架構都是唯一的，并且可以根據特定客戶應用要求的實際功能和特性映射至設計。

RISC CPU

在Altera概念中使用的CPU是款軟RISC處理器。但與一般情況不同的是，該處理器并沒構建在一個預先規定好且無法改變的芯片內。相反，它是根據系統架構師/設計工程師借助可用工具定義的規范自動生成的，并與整個電路所需的其余邏輯一道下載進FPGA。因此，可根據特定應用要求并借助相關的開發工具對處理器內核進行參數表征。更重要的是，它能實現真正需要的功能和對應需要的邏輯消耗。

在基于Altera的靈活MCU應用中，Nios？II嵌入式處理器采用的是具有32位獨立地址和數據總線的標準RISC架構。兩條總線都通過獨立緩存操控，且可連續獨立地接入總線系統。最后，由系統架構師決定對程序和數據是采用獨立的存儲空間還是共享存儲器。Nios？II嵌入式處理器內置有一般處理器都有的許多功能單元，但參數設置決定其特性。例如硬件乘法器、桶式移位器以及硬件除法器可作為選配功能。指令和數據緩存也一樣，其容量可以不同，或被徹底排除在外。

總線架構

MCU通常采用單總線架構，其中有個仲裁器用于監控作為分布式資源的總線。由于作為系統中心資源的總線將迅速成為瓶頸，這種架構存在嚴重的缺陷。為此，在更新的系統（特別是系統級芯片實現）中已采用多層總線架構，其中各條總線是并行工作的。目前的FPGA總線架構情況基本相同。區別在于：在其它多層總線實現中，采用的層數是靜態的；而FPGA總線構建方法可按需選擇層數。

當考慮電磁兼容性（EMC）和功耗問題時，有時使一種外設模塊工作于與整個系統其余部分不同的頻率會帶來額外的好處。例如，使存儲器接口工作在更快速度（而系統其余部分工作在較低時鐘速率）將相應縮短存儲器訪問時間。另一種情況是在較低時鐘頻率足夠用的地方整合多個模塊。

為滿足EMC或功耗要求，采用諸如SOPC Builder等高級系統設計工具可以很容易將這些部件與系統內以很高頻率工作的那些部件分離。這種工具可以自動生成同步這些不同時鐘域所需的邏輯，設計師只需指明在一個給定時鐘域都運行著哪些模塊。

在FPGA內實現MCU

因汽車MCU系統的復雜性比單純圖形控制器要高得多，所以在大多情況下FPGA一般用于原型邏輯生成。由于FPGA具有全面驗證、固件開發及現場測試的能力，所以選用FPGA進行原型生成將極大降低開發風險。另外，通過用FPGA進行原型生成，設計師能以“在系統內”的方式運行該FPGA，以便利用真實環境進行驗證，從而可能檢測出在仿真時沒被發現的設計缺陷。

軟件開發已占整個開發周期的大頭。由于軟件開發要花更長時間、需更多資源，因此可以利用原型系統縮短整個開發周期并發現設計缺陷、兼容性問題，并通過新的硬件功能來支持無法用軟件正確處理或實現的功能。

用實際系統進行現場測試有助于發現在實驗室無法發現的系統或器件缺陷。在許多情況下，銷售人員為說服客戶提前下單，演示系統必不可少。

還可能需要在原始規范中沒有的新特性和新功能。無論是為了發現新的缺陷還是增加新的功能，都可以快速修改FPGA原型，而無需花費巨額的一次性工程成本或忍受漫長的制造周期。

靈活MCU概念中的最后步驟是ASIC開發。一旦建造并測試完原型系統，則可著手將設計轉換為結構化ASIC。例如，若采用Altera器件，則設計立即被轉換為HardCopy？結構化ASIC器件。與其它結構化ASIC不同，采用這種設計流程無需重新進行設計綜合或花費額外的驗證周期，因為這些器件采用與其FPGA器件相同的構建模塊。

采用這種結構化ASIC流程提供的快速周轉時間能讓設計師快速確認FPGA邏輯，從而實現快速、低成本的轉換。

靈活MCU小結

下一代汽車電子系統需要高度專用、成本優化的器件以滿足市場需求。考慮到先進工藝技術開發成本的急劇增長，傳統MCU的特殊化工作不再具有商業意義。

功能豐富且面向廣泛應用市場的器件常常因太過昂貴而沒有出路。取而代之的是靈活MCU概念，通過實現FPGA原型，它能為特定應用開發正確合適的MCU。驗證、軟件開發和現場測試可以在設計完成后立即進行，甚至可以并行進行。

為進行批量生產，FPGA設計可以被直接映射為一個結構化ASIC，無需重新綜合或額外驗證。采用上述方法創建針對應用優化了的汽車MCU與目前使用固定功能MCU的方法相比，所需時間要短得多，成本也低得多。

圖1：這種汽車信息娛樂平臺具有多個子系統以及可擴展的接口與功能。

圖2：FPGA到ASIC整合之路使MCU的性能和特性得以顯著提升（下方X軸）。

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