利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构

白皮书利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构2008年2月，1.0版1WP-01054-1.0引言昀近配件市场上的改型解决方案必定会导致原始设备生产商(OEM)信息娱乐系统的竞争越来越激烈，但目前对这些方案的响应还不是很热烈。一直以来，汽车无线电的情况也是如此，改型设备在低价领域以及高质量系统中都具有明显的性价比优势。信息娱乐产品可以采用传统的汽车微控制器吗?汽车供应商得出了自己的结论，不但要为已有的生产商提供服务，而且在很大程度上为配件市场提供服务，这样才不会输给娱乐电子行业中的其他企业。另一方面，不希望错过豪华原始信息娱乐业务的汽车生产商也不得不开发这些系统。在汽车无线电上打价格战将没有赢家。对于和消费者关系昀密切的汽车品牌，集成系统质量标准必须要高于相应的配件市场。生产商因此在某些品牌的汽车中推出了风格独特的集成系统，这在配件市场系统中是根本无法实现的。在高端汽车中，引入了娱乐电子领域以前从未采用过的面向媒体系统传送(MOST)总线——光纤链路。在高端汽车中还采用了支持GPS的车辆导航系统，以突出产品特性。而娱乐电子行业将很快追上这一发展趋势，其性能表现会令人大吃一惊，价格只是集成系统的一小部分。今天，即使是集成在车内连接昀紧密的传感器系统也可以通过改型来进行完善，而且不会改变长期的价格关系。深入了解各种信息娱乐单元就会明白为什么汽车供应商在这一领域节节败退。几乎无一例外，昀初推出的产品采用了汽车专用半导体元件，而娱乐电子产品则大部分采用了专用标准产品(ASSP)。这些ASSP的市场占有量要远远高于前者，因此，平均价格要低得多。但真正的问题并不在元件价格上，因为微电子产品的差异在逐步缩小，表明硬件导致的成本在下降。包括硬件在内的系统总价格由设备平台以及软件开发、系统测试和平台维护成本组成。由于功能越来越复杂，软件开发和测试的成本呈指数增长。为了控制住这些成本，汽车市场上已有的操作系统越来越多地采用标准信息娱乐功能，使当今的开发人员能够开发各种应用。然而，采用专用微控制器后，软件供应商越来越难以支持汽车专用处理器体系结构。昀初，大家默认由半导体公司来消化这些成本，因此，他们对微控制器丰富的软件支持非常感兴趣。然而，经过昀终分析，软件维护和开发等成本的确影响了系统价格，昀后不得不由汽车生产商或者消费者来买帐。开放系统体系结构是降低成本的关键解决这一难题的方法之一是抛开闭门造车式的开发方法，将内部开发限定在娱乐电子领域便携式产品的接口上，这样，信息娱乐的问题将不再限于汽车这一主题。从长远看，降低娱乐电子领域价格和功能压力的另一好方法是采用开放标准化微控制器体系结构，例如，PC市场上一直以来对大家都有利的开放结构。已经有迹象表明，传统的汽车微控制器将很快被淘汰掉。每个对信息娱乐系统感兴趣的驾驶员多多少少都熟悉PC，利用它来处理音乐和视频，进行通信或者上网冲浪。这恰恰是汽车PC要达到的目的，在四个轮子上实现家庭多媒体世界。目前其实现难点在于处理器过高的价格以及芯片组的功耗问题。而标准化作为“成功的秘诀”，会在这方面大展身手，未来信息娱乐系统理想的体系结构必须满足以下基本要求：■处理器命令集和基本体系结构必须开放，而且免费提供，这样，可以从多个生产商中进行选择来作为供应商。当然，半导体产品应满足汽车行业严格的标准要求。■处理器的性能和功能在很大范围内都要保持稳定。处理器体系结构应涵盖入门级和高端产品，这样，同一软件基本上能够运行在所有单元上。■系统体系结构应确保车辆专用数据处理和多媒体数据处理严格分离，以防止信息娱乐单元影响车辆在任何环境下的特性。此外，理想的系统体系结构应满足汽车生产商及其供应商的特殊需要，这一点非常重要：利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构Altera公司2■对于汽车消费者，汽车设备应该和配件市场的产品有明显不同，但是价格不应太高。主要的不同点在于功能的多少以及系统质量。■车辆生产商必须能够在车辆平台上非常灵活地集成不同供应商提供的信息娱乐产品。■汽车供应商必须尽可能提高信息娱乐平台的灵活性，以适应各类汽车生产商，满足今后消费者对系统集成的需求。■必须保护在平台上的投入，这样才能迅速灵活地优化硬件成本(例如，采用新型存储器)。参数化信息娱乐系统新的参数化信息娱乐系统(PARIS)就非常契合上面的理念。PARIS硬件基于开放微控制器概念，处理器内核、外设接口以及存储器和硬件加速器等大量的特殊功能模块都集成一个构建模块中。它和传统微控制器的不同在于PARIS体系结构非常灵活，基于模块化的“结构套件”系统(图1)。图1.PARIS可更新的体系结构支持各种平台的开发PARIS结构套件含有建立信息娱乐系统所需的所有可集成基本组成，包括I2S和I2C等简单的串口，以及CAN、MOST、FireWire、以太网甚至FlexRay等复杂模块。这些和其他全系列的接口都被适配到统一的“构建块”或者模块接口中，可以连接至内部总线系统。存储器、算术单元以及图像、视频和音频功能等复数加速器块以同样的方式被适配到统一的模块接口中。CPU也被当做一个模块来处理。它可以控制总线系统，或者和其他总线主机来共享总线。当多个主机要访问同一系统资源时，由仲裁来处理从机连接。这样，一条总线上可以有多个主机，支持一个信息娱乐系统中的多CPU工作。所有模块都可以进行参数化处理，在系统规划阶段详细定义各个功能。这意味着PARIS不仅是完成特殊任务的专用微控制器，而且还含有全系列的微控制器型号。对微控制器各种组合的限制非常少，同时针对所执行的任务而选择定制特殊的PARIS型号产品。利用独立于实际硬件和芯片的功能模块来实现PARIS结构套件。利用可编程逻辑构建模块(例如，Altera®CycloneIII®和StratixIII®FPGA)，将综合后的原型映射到实际硬件中，在目标系统中进行测试。当所有功能满足要求时，在产品构建模块基础上完成昀终的微控制器，成本只是FPGA的一小部分。产品构建模块可以是HardCopy®结构化ASIC，它是引脚兼容功能等价的FPGA，并且满足时序性能，由开发人员实现无风险移植。ৃ᳈ᮄⱘFPGA/HardCopy෎ᴀI/Oᄬټ఼㋏㒳ൟো-Aൟো-Bൟো-CጠܹᓣCPUᄤ㋏㒳ࡳ㛑䋳䕑(೒ᔶ੠䷇乥ࡴ䗳ǃৢ㾚ǃ㾚乥ߛᤶǃ䷇乥ߛᤶǃDTCPǃGPS…)᥹ষ䋳䕑(USBǃMediaLBǃCANǃSATAǃPCI-Eҹ໾㔥ǃUWBǃ㪱⠭…)Altera公司利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构3通常利用FPGA作为原型工具来开发传统的微控制器，然后转换为ASIC硬件。然而，和HardCopy结构化ASIC相比，所采用的ASIC生产成本非常高，和FPGA完全不一样。系统开发人员因此而无法确定微控制器系列的实际定义，也无法根据每一需求来调整生产时间和长期供货关系。PARIS微控制器结构套件加强了半导体生产商和开发人员之间的关系，产品规划阶段唯一的确定性因素是昀终用户的兴趣所在。这直接体现在以下方面：■逻辑、存储器和CPU确切地体现了所需的规范■在适应传统微控制器时，不会损失开发时间。■只在需要的型号中安装硬件加速器■硬件/软件划分优化了芯片的利用率■迅速提供原型■可长期供货■由于微控制器型号不会出现在开放市场上，因此，不会担心竞争对手复制系统。PARIS开放硬件体系结构非常灵活，是通过应用软件进行全面支持的基础。PARIS开放系统将结构套件模块自动嵌入到软件开发环境中，建立统一硬件抽象层，大大提高了标准应用程序的输入输出效率。PARIS开发系统完整的套件简化了开发人员对PARIS信息娱乐系统的开发。它采用了经过预配置的微控制器和驱动器以及应用软件来实现。套件包括DIN-1机架形式的基本电路板(图2，左侧)，一组物理接口，例如VGA、TFT、IDE、音频、10/100Base-T以太网、RS232、TTL串口、USB、CAN、MOST、FireWire、MMC/SD/SDIO电路板以及其他GPIO插头等。基本电路板有一个模块插槽，用于插入处理器模块，以及两个其他扩展模块。图2.PARIS开发系统基本电路板(左侧)和处理器模块(右侧)位于处理器模块中心的元件(图2，右侧)是含有几百万系统逻辑门的FPGA、64MbytesDDR2RAM和16Mbytes闪存。所有物理接口直接连接至FPGA，因此可以支持所选用的任意微控制器型号。扩展模块中可插入导航和通信模块。如图3所示，套件包括WVGA触摸屏TFT显示器，以及立即开始设计所需的所有连接器和电源。利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构Altera公司4图3.PARIS开发系统简化了原型开发经过预配置的微控制器(图4)具有一系列集成接口，除了应用处理器之外，还提供图像加速器和音频处理器。演示应用程序利用图形用户界面和触摸屏操作实现了一个MP3播放器，支持各种音乐源，包括SD卡、USB棒、硬盘/CD和MOST单元等。Altera公司利用开放系统体系实现新的信息娱乐设备成本结构5图4.PARIS开发系统中预配置微控制器结构图结论OEM信息娱乐设备面临来自娱乐电子产品的压力，因为后者的性价比要明显高一些。和软件开发、平台维护以及测试相比，纯粹的硬件成本并不占主导地位。改变这种不合理成本结构的一种方法是引入开放系统体系结构，与目前使用的专用微控制器体系结构不同，它是开放的，可更新，非常灵活和安全，同时性价比也不错。参数化信息娱乐系统PARIS是一种开放体系结构，具有较高的成本效益，是新一代独立于生产商的信息娱乐系统的基础。CANUSB2.0ЏᴎUSB2.0఼ӊSDवATAPIMOSTTESD/AVENiosIIf䷇乥㓪ⷕ㾷ⷕ䷇乥䏃⬅HSMC᥹ষ#1DDR᥻ࠊ఼Flash᥹ষLCD᥻ࠊ఼#1LCD᥻ࠊ఼#2Video_inFireWireI2SI/OGPIOPHYᬊথ఼OS81050㓧ކLVDSІ఼࣪ܝ᥹ষ䷇乥CODECDDR᥻ࠊ఼16ԡDDR400(32Mbyte)ᣝ䬂ǃLED7-↉ᰒ⼎఼16ԡ䮾ᄬ㓧ކ㓧ކ㓧ކPHYᰒ⼎ৢ䗮䘧16ԡDDR400(32Mbyte)6版权©2007Altera公司。保留所有版权。Altera，可编程解决方案公司、程式化Altera标识、专用器件名称和所有其他专有商标或者服务标记，除非特别声明，均为Altera公司在美国和其他国家的商标和服务标记。所有其他产品或者服务名称的所有权属于其各自持有人。Altera产品受美国和其他国家多种专利、未决应用、掩模著作权和版权的保护。Altera保证当前规范下的半导体产品性能与Altera标准质保一致，但是保留对产品和服务在没有事先通知时的变更权利。除非与Altera公司的书面条款完全一致，否则Altera不承担由使用或者应用此处所述信息、产品或者服务导致的责任。Altera建议客户在决定购买产品或者服务，以及确信任何公开信息之前，阅读Altera昀新版的器件规范说明。101InnovationDriveSanJose,CA95134公司详细信息■Altera汽车级器件：■如果需要观看Paris开发系统演示，请联系Altera销售代表：■Altera的汽车解决方案：■灵活的体系结构推动夏普双视角和标准LCD技术：■对比实现FPGA的IP集成方法：■满足消费类显示产品快速增长的功能需求：