真正的非易失性FPGA推动了汽车电子产品的发展

最近公布的通过 AEC - Q100认证的莱迪思 LA(“Lattice Automotive”) XP2 “快速启动” 现场可编程门阵列( FPGA )进一步推动了不断发展的汽车电子产品。通过提供新的片上系统( SoC )特性，如功能完整的DSP块，预制的I / O功能块和其独有的FlexiFLASH 架构(图1 )，莱迪思提升了FPGA的内在价值。不同于其他供应商基于SRAM的AEC - Q100 FPGA 额外需要 一个 配置用外部引导存储器， FlexiFLASH架构在同一芯片上整合了配置用闪存和 SRAM的FPGA核。非易失性FlexiFLASH架构满足了汽车工程师常要求的启动速度，可靠性及冗余度。

非易失性＝快速启动

FlexiFLASH架构(图2 )适用于快速启动的应用，同时还拥有FlashBAKTM ，Serial Tag存储器和设计安全的特性。在同一芯片上存储有配置引导代码和逻辑阵列，使FPGA架构实现快速启动的特点。器件上电时，在不到1毫秒的时间内，以并行的方式将闪存的内容复制到SRAM配置：而附带外部引导存储器 的等效FPGA则需要用80毫秒的时间进行配置，然后方能正常工作。LA- XP2 FPGA快速启动的特性能用于那些不容等待FPGA启动的应用，如发动机控制单元、CAN接口、处理器总线解码器，电源复位和使用占空比的低功耗设计。

图1. LA-XP2 FPGA的架构。

LA-XP2架构拥有嵌入式RAM( EBR ) ：SRAM可用于存储数据或微处理器代码的应用。在FPGA初始化时，存储在闪存的数据载入EBR。 FlashBAK使EBR的内容能回写到闪存，以便在下一次器件初始化时，用闪存中新的存储值初始化EBR。

Serial TAG存储器是闪存中的专门部分，可以通过一个串行接口从逻辑阵列内部或从器件外部进行访问。TAG存储器取代了外部EEPROM，用来储存系统ID，校准数据，出错代码和制造信息。

图2.FlexiFLASH架构。

采用译码及器件锁定模块可以保证设计安全性，一个128位的AES密钥可以防止未经授权的闪存读/写操作。

FPGA的故障容错

一些汽车系统设计师仍旧对α粒子在SRAM单元中造成的软错误有顾虑。尽管一个单元的变化不太可能造成FPGA在工作期间发生故障，但莱迪思还是提供了一些可选的软错误检测( SED)和校正模块来针对这种可能性。LA - XP2 器件有专用逻辑来进行循环冗余码 ( CRC) 校验。 配置时， 可以用CRC逻辑块来校验配置数据流的完整性。 当启动SED后， SED在后台检查所有SRAM单元的CRC。这样一旦发生软错误，可以从一个已知完好的引导存储器(内部闪存或外部SPI存储器)重新对器件进行编程，也可以产生 一个可用于FPGA 内部逻辑或 外部附加电路的出错信号。第二种故障容错系统的特点是LA - XP2 的双重引导能力。双重引导允许连接一个外部串行接口( SPI )存储器作为备用引导器件。如果在初始化期间，FPGA主闪存的CRC校验失败，可自动切换到备用的引导器件对FPGA进行重新配置。这样编程更新时就非常可靠；如果更新的内容下载到闪存时，位流受到损坏，而且被编程至闪存，此时系统将检测出位流已被损坏，但改用备用引导器件进行引导，以保证器件进入完全正常工作状态。而在此同时，主闪存被重新编程至正确状态。

可靠性

Lattice致力于为汽车用户提供最高品质的FPGA器件，莱迪思质量系统的ISO认证已证明了这点，FPGA器件达到 了ISO TS- 16949标准，并满足了质量和可靠性方面的严格标准。莱迪思的所有车用器件，包括莱迪思的LA - XP2 ，都通过了AEC - Q100测试和认证。这些测试包括高温工作寿命( HTOL ) 、早期故障率( ELFR )和非易失存储器耐久力和数据保留测试(HTRX)，这些测试验证了即使在极端汽车温度下，闪存至少10年不会有任何退化或数据丢失。

发动机控制单元的应用

莱迪思曾与运输行业的一个用户进行合作，替换了在发动机控制单元设计(图3)中的一个快停产的微控制器 。该用户建立了一个能在极端温度下运行的非常可靠的系统。由于客户的设计已得到充分检验和核实，他们不想再投入经费和时间将目前的设计移植到一个全新的微控制器。为此，莱迪思与一家设计公司和 IP 供应商进行合作，提供了用FPGA LA-XP2平台实现的微控制 器。系统硬件只有一些较小的修改，不需要开发任何新代码(图4 ) 。

图3. 原来的微处理器设计。

图4. 新的Lattice FPGA设计。

除了莱迪思的AEC - Q100测试之外，该用户还进行了系统扩展测试，并成功验证了这个发动机控制单元(ECU)满足他们的极端温度要求。

最终的系统运作与原来的系统完全一样，并且可以运行原有的微控制器代码，没有任何变化。系统开启时，单芯片逻辑与闪存架构使系统能够快速启动，而安全功能使系统能够防止未经授权的篡改微控制器逻辑的行为。由于使用了LA-XP2FPGA ，该用户节省了时间和经费，而且大大延长了系统的寿命。

本文小结

汽车电子系统正演变成非常复杂的计算系统，LA - XP2 FPGA是这些高级系统的推动者。非易失性、快速启动的特性使LA - XP2 能够胜任这些应用，其他的FPGA则由于长的开机时间而受到限制。SED软错误检测扫描和双引导特性有助于建立故障容错系统。FlexiFLASH架构，包括位流加密和闪存锁定，为用户设计提供了最大的安全性保护。这些LA-XP2提供的先进特性推动了新的高级汽车系统的发展。

作者：Kerry Howell

莱迪思半导体公司