可重构计算技术在汽车电子领域的应用
日期：2008-9-21 12:56:17 来源：中国自动化网
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Abstract: Automotive Electronics is a hotpot of the development of automotive industry, and there are many special requirements in this field. As a new computing technology, reconfigurable computing has high performance and high flexibility that satisfy the requirements of automotive electronics. This paper analyzes the requirements of automotive electronics, discusses the applied foreground of reconfigurable computing in automotive electronics and indicates some critical problems.
Key words: automotive electronics, reconfigurable computing, reconfigurable-logic device, dynamic reconfigurable technology.
1 引言
汽车历经百余年的发展，其机械结构已经达到了近乎完美的程度，业界对汽车机械性能的改善已经很难再有更大的提升空间。为了提高汽车的可靠性、功能性和舒适性，电子技术在汽车上被广泛应用。电子技术与机械结构的结合，被认为是当前汽车技术发展过程中的一次“革命”。
汽车电子技术是汽车设计中的核心技术。汽车电子化的程度是衡量一个国家汽车工业发展水平的重要标志。汽车的设计者利用汽车电子技术开发新的车型，把它作为改善和提高汽车整体水平所采用的最重要的技术方案；汽车制造商则通过加快汽车电子化的进程，把增加汽车电子装置的数量等措施作为汽车的新卖点和夺取未来汽车市场的最重要手段。目前在国际上的中、高档轿车的设计中，汽车电子产品平均已经占到了汽车制造成本的27%。这个数字还在不断创造新高。据英飞凌（Infineon）公司预测，到2010年用于轿车上的汽车电子装置的支出平均将占到整车制造成本的50%。而在我国，每辆汽车的平均汽车电子设备应用比例要比国际水平低5.5倍[1>。汽车电子技术的发展与应用是目前我国汽车产业进步所面临的一大契机和挑战。
可重构计算技术成形于上个世纪九十年代中期[2>。如图1所示，其主要思想是利用可重构逻辑器件（如FPGA）的可重构特性，通过不同的器件配置文件来改变器件实现的功能，从而能够以硬件的性能灵活实现多种应用。可重构计算技术避免了微处理器计算模式因为取指、译码等步骤导致的性能损失，同时也消除了专用集成电路（ASIC）计算模式因为前期设计制造的复杂过程带来的高代价和不可重用等缺陷。可重构计算技术目前已经应用在了很多领域，如目标匹配、大数值运算等等，都取得了非常好的效果。
图1：微处理器、可重构计算、专用集成电路等三种计算模式的比较
汽车电子产品有着很多特殊的需求，而可重构计算作为一项新兴的技术，具有的高性能、高灵活性、低开发周期、低成本等特征非常适合于汽车电子领域的应用。
2 汽车电子领域的需求分析
从1950年美国通用公司开创了将半导体技术应用于汽车制造领域的先河—将晶体管收音机安装在汽车上开始，汽车电子产业历经50多年的发展，目前已经形成了功能多样化、技术一体化、系统集成化、通信网络化、技术标准化等技术特征。当前，汽车电子技术已经进入了优化人-汽车-环境的整体关系的研究阶段。汽车在满足安全、节能、环保的同时，将进一步满足人们生活的需要，向舒适、便利、高效、数字化、信息化和智能化方向发展。
汽车电子技术主要有两个大的应用领域：一个是汽车电子控制系统，另一个是车载汽车电子装置[3>。其中，汽车电子控制系统是机械和电子相结合的汽车电子产品，它的工作状况会直接影响到汽车的性能。而车载汽车电子装置则是可以在汽车环境下独立使用的电子装置，它的性能好坏并不影响汽车的性能。相比之下，汽车电子控制系统的设计与开发涉及到了机械和电子两个学科领域，这两部分的研发要协同进行，所以整个过程比较复杂。车载电子装置是IT行业中的应用在汽车领域的扩展，种类较多，例如遥控中央门锁、车载电话、后座娱乐系统、GPS导航系统、车载计算机等等。这些产品因和整车的性能无关，可以独立地进行开发，所以和汽车电子控制系统相比，在开发的环节上比较简单。
汽车电子领域对电子技术发展的主要需求有如下几个方面：
· 性能高。目前在汽车电子产品中对性能要求最高的部分是车内的信息娱乐系统。一个信息娱乐系统可能包括多通道音频系统、DVD播放器、GPS导航系统以及免提移动电话等等。这些子系统中涉及到的功能（如视频处理等操作）需要强大的信号处理能力，对性能要求极高。另外，随着汽车主动安全理念的深入人心，新的汽车安全系统开始采用图像、视频和雷达处理，同时引擎和刹车控制系统也将采用更复杂的计算控制策略，计算量庞大的实时运算将在应付突发事件的时候发挥重要作用。这也给相关的汽车电子产品的处理能力提出了挑战。
· 灵活性强。汽车的设计者和制造商都面临的一个严峻问题是必须保证汽车电子设备的寿命与汽车的寿命相匹配。汽车电子设备的生命周期很短，不断出现的新兴的汽车标准以及标准本身的不断变化进一步导致选择标准时必须考虑到其寿命、灵活性以及被接受的广泛程度。为了保证汽车电子产品能够紧跟汽车产业的发展，就要求汽车电子产品具有相当的灵活性使其能够根据需求做适时的改动。在当前各种新的技术标准层出不穷，而业界又缺乏占据有绝对优势的标准的时候，对汽车电子技术的这一需求显得尤其重要。
· 可靠性高。汽车作为一类特殊的产品，经常会工作在恶劣的环境下，这对应用在其中的电子产品的可靠性提出了严格要求。电子产品的精密性使它成为影响整车可靠性、安全性的重要因素。特别是在汽车电子控制系统中，高温的工作环境往往会给电子产品带来损伤，这极大地增加了整车的危险性。这就要求电子产品能够抵御住恶劣工作环境的干扰，同时具有适当的容错能力，能够在受到部分损伤的时候将其造成的影响降到最低。
· 开发时间短。尽量缩短新车型新产品的研发时间是汽车设计者和制造商追求的目标之一。图2显示出在汽车电子产品方面的新技术研发周期是非常短的。这就要求汽车电子技术的研发需要有方便快捷的开发平台，并且在技术研发上有延续性和可复用性，尽量缩短开发时间。特别是在车载汽车电子装置的研发中，因为它们与汽车本身的性能无关，所以更可以不受到整车其它部分研发进展的约束，需要在尽量短的时间内开发出适合需要的产品。
· 成本低。汽车产业对价格的影响十分敏感。价格是决定汽车产品竞争力的重要因素之一。选用合适的技术、材料和器件对汽车工业的发展起着举足轻重的作用。随着汽车电子产品在整车成本中所占份额的增加，尽量降低这部分电子产品的成本是一个极为关键的问题。
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Abstract: Automotive Electronics is a hotpot of the development of automotive industry, and there are many special requirements in this field. As a new computing technology, reconfigurable computing has high performance and high flexibility that satisfy the requirements of automotive electronics. This paper analyzes the requirements of automotive electronics, discusses the applied foreground of reconfigurable computing in automotive electronics and indicates some critical problems.
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Key words: automotive electronics, reconfigurable computing, reconfigurable-logic device, dynamic reconfigurable technology.
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1 引言
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汽车历经百余年的发展，其机械结构已经达到了近乎完美的程度，业界对汽车机械性能的改善已经很难再有更大的提升空间。为了提高汽车的可靠性、功能性和舒适性，电子技术在汽车上被广泛应用。电子技术与机械结构的结合，被认为是当前汽车技术发展过程中的一次“革命”。
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汽车电子技术是汽车设计中的核心技术。汽车电子化的程度是衡量一个国家汽车工业发展水平的重要标志。汽车的设计者利用汽车电子技术开发新的车型，把它作为改善和提高汽车整体水平所采用的最重要的技术方案；汽车制造商则通过加快汽车电子化的进程，把增加汽车电子装置的数量等措施作为汽车的新卖点和夺取未来汽车市场的最重要手段。目前在国际上的中、高档轿车的设计中，汽车电子产品平均已经占到了汽车制造成本的27%。这个数字还在不断创造新高。据英飞凌（Infineon）公司预测，到2010年用于轿车上的汽车电子装置的支出平均将占到整车制造成本的50%。而在我国，每辆汽车的平均汽车电子设备应用比例要比国际水平低5.5倍[1>。汽车电子技术的发展与应用是目前我国汽车产业进步所面临的一大契机和挑战。
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可重构计算技术成形于上个世纪九十年代中期[2>。如图1所示，其主要思想是利用可重构逻辑器件（如FPGA）的可重构特性，通过不同的器件配置文件来改变器件实现的功能，从而能够以硬件的性能灵活实现多种应用。可重构计算技术避免了微处理器计算模式因为取指、译码等步骤导致的性能损失，同时也消除了专用集成电路（ASIC）计算模式因为前期设计制造的复杂过程带来的高代价和不可重用等缺陷。可重构计算技术目前已经应用在了很多领域，如目标匹配、大数值运算等等，都取得了非常好的效果。
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图1：微处理器、可重构计算、专用集成电路等三种计算模式的比较
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汽车电子产品有着很多特殊的需求，而可重构计算作为一项新兴的技术，具有的高性能、高灵活性、低开发周期、低成本等特征非常适合于汽车电子领域的应用。
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2 汽车电子领域的需求分析
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从1950年美国通用公司开创了将半导体技术应用于汽车制造领域的先河—将晶体管收音机安装在汽车上开始，汽车电子产业历经50多年的发展，目前已经形成了功能多样化、技术一体化、系统集成化、通信网络化、技术标准化等技术特征。当前，汽车电子技术已经进入了优化人-汽车-环境的整体关系的研究阶段。汽车在满足安全、节能、环保的同时，将进一步满足人们生活的需要，向舒适、便利、高效、数字化、信息化和智能化方向发展。
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汽车电子技术主要有两个大的应用领域：一个是汽车电子控制系统，另一个是车载汽车电子装置[3>。其中，汽车电子控制系统是机械和电子相结合的汽车电子产品，它的工作状况会直接影响到汽车的性能。而车载汽车电子装置则是可以在汽车环境下独立使用的电子装置，它的性能好坏并不影响汽车的性能。相比之下，汽车电子控制系统的设计与开发涉及到了机械和电子两个学科领域，这两部分的研发要协同进行，所以整个过程比较复杂。车载电子装置是IT行业中的应用在汽车领域的扩展，种类较多，例如遥控中央门锁、车载电话、后座娱乐系统、GPS导航系统、车载计算机等等。这些产品因和整车的性能无关，可以独立地进行开发，所以和汽车电子控制系统相比，在开发的环节上比较简单。
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汽车电子领域对电子技术发展的主要需求有如下几个方面：
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· 性能高。目前在汽车电子产品中对性能要求最高的部分是车内的信息娱乐系统。一个信息娱乐系统可能包括多通道音频系统、DVD播放器、GPS导航系统以及免提移动电话等等。这些子系统中涉及到的功能（如视频处理等操作）需要强大的信号处理能力，对性能要求极高。另外，随着汽车主动安全理念的深入人心，新的汽车安全系统开始采用图像、视频和雷达处理，同时引擎和刹车控制系统也将采用更复杂的计算控制策略，计算量庞大的实时运算将在应付突发事件的时候发挥重要作用。这也给相关的汽车电子产品的处理能力提出了挑战。
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· 灵活性强。汽车的设计者和制造商都面临的一个严峻问题是必须保证汽车电子设备的寿命与汽车的寿命相匹配。汽车电子设备的生命周期很短，不断出现的新兴的汽车标准以及标准本身的不断变化进一步导致选择标准时必须考虑到其寿命、灵活性以及被接受的广泛程度。为了保证汽车电子产品能够紧跟汽车产业的发展，就要求汽车电子产品具有相当的灵活性使其能够根据需求做适时的改动。在当前各种新的技术标准层出不穷，而业界又缺乏占据有绝对优势的标准的时候，对汽车电子技术的这一需求显得尤其重要。
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· 可靠性高。汽车作为一类特殊的产品，经常会工作在恶劣的环境下，这对应用在其中的电子产品的可靠性提出了严格要求。电子产品的精密性使它成为影响整车可靠性、安全性的重要因素。特别是在汽车电子控制系统中，高温的工作环境往往会给电子产品带来损伤，这极大地增加了整车的危险性。这就要求电子产品能够抵御住恶劣工作环境的干扰，同时具有适当的容错能力，能够在受到部分损伤的时候将其造成的影响降到最低。
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· 开发时间短。尽量缩短新车型新产品的研发时间是汽车设计者和制造商追求的目标之一。图2显示出在汽车电子产品方面的新技术研发周期是非常短的。这就要求汽车电子技术的研发需要有方便快捷的开发平台，并且在技术研发上有延续性和可复用性，尽量缩短开发时间。特别是在车载汽车电子装置的研发中，因为它们与汽车本身的性能无关，所以更可以不受到整车其它部分研发进展的约束，需要在尽量短的时间内开发出适合需要的产品。
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· 成本低。汽车产业对价格的影响十分敏感。价格是决定汽车产品竞争力的重要因素之一。选用合适的技术、材料和器件对汽车工业的发展起着举足轻重的作用。随着汽车电子产品在整车成本中所占份额的增加，尽量降低这部分电子产品的成本是一个极为关键的问题。
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