Using FPGAs in Automotive System Design - 电子工程专辑.PDF

Using FPGAs in Automotive System Design FPGA 新特性在汽車系統設計中的應用 作者：Satwant Singh／萊迪思半導體公司 目前，汽車中使用的複雜電子系統越來越多 ，而汽車系統的任何故障都會置乘客於險境，這就 要求設計出具有 “高度可靠性”的系統 。同時，由於現場可程式設計閘陣列 （FPGA ）能夠集 成和實現複雜的功能 ，系統設計人員往往傾向於在這些系統中採用 FPGA 。然而 ，將 FPGA 用 於汽車系統時需要關注的兩個主要問題是 ：確保用於 FPGA 初始化的配置程式碼正確無誤 ；防 止元件工作時SRAM 的內容遭到損壞 。只有這些問題得到徹底解決，FPGA 才能成為高度可靠 汽車系統的一部分 。 幸運的是，目前通過AEC-Q100 認證的 FPGA 加入了幾個先進的特性，能夠解決上述問題。 本文將著重闡述的幾個方案 ，可以用以解決保護初始化配置和防止潛在的SRAM 內容損壞的問 題。 保護FPGA 的配置 隨著系統上電，基於 SRAM 的 FPGA 將從外部源載入其配置。引導源可以是記憶體 ，如串列 EEPROM 或 Flash ，也可以是智慧元件 ，如能提供具有正確格式和時序的資料流程的微控制 器 。針對初始化位元串流 ，所有的 FPGA 都具有某種類型的迴圈冗餘校驗（CRC ），在啟動結 束時進行測試 ，檢驗傳送是否完整。如果在位元串流中檢測到一個差錯，FPGA 將無法初始 化。這可以防止系統產生錯誤的 （也可能是危險的）操作 。大多數的 FPGA 將透過對一個外部 接腳重置 ，來告知系統控制器初始化失敗，請求另一個初始化序列 ，以期取得配置成功。 在遇到以下幾種情況時，會發生初始化位元串流的損壞情況 ：  引導記憶體的硬體故障  記憶體內容保存的問題  蓄意篡改  記憶體內容被擦除  電氣雜訊 用FPGA 設計高度可靠的汽車系統時 ，為了正確處理這些情況 ，必須遵循以下四個基本步驟： 1 第一步是使用有晶片上快閃記憶體的非揮發性 SRAM FPGA 。這改變了從外部記憶體引導配置 載入 FPGA 內部的方式。使用將引導源移入同一顆晶片的方法消除了許多常見的初始化失敗模 式。這種類型的集成設計還提升了初始化速度，可在即時啟動系統中使用這種FPGA 。 第二步是添加一個可靠的外部自行引導元件 （圖1）。FPGA 的一個主要特點是能夠現場重複 程式設計。對汽車系統而言 ，這一特性允許下載新的程式 （例如，在汽車經銷商處），用於授 權的現場更新 ，修復設計錯誤或添加額外的功能。然而，在傳輸和對記憶體程式設計期間，資 料流程都可能被損壞，而且損壞的資料流程會阻止正確的 FPGA 初始化。為了對付更新過程中 的損壞，在外部記憶體中已複製了初始化程式碼 ，稱為“golden”的廠家備份 。即便有任何問 題 ，儲存在內部記憶體的配置程式碼都可以使該系統得到恢復 。透過添加第二個引導元件 ，就 能夠保證有廠商的備份存在 ，或至少可以具有 “曲折恢復”系統的功能 。 圖1 ：FPGA 雙重開機系統 。 第三步是保護儲存在外部記憶體中的位元串流備份 ，採用位元串流加密來保護引導配置程式碼 （圖2 ）。許多車用 FPGA 系列支援 128 位元 AES 位元串流加密，以防止逆向工程和未經授 權地對設計進行更改。在外部引導元件中儲存著加密的配置程式碼 ，可以在初始化時解碼 ，然 後再移入 SRAM 單元。同樣的加密機制也可以用來將一個新的配置程式碼載入內部快閃記憶 體 。 2 圖2 ：外部引導的AEC 解碼或Flash3 程式設計位元串流。 第四個也是最後一個步驟是“鎖定”FPGA ，以防止未經許可進入儲存配置。用非揮發性 FPGA 內部的可程式設計暫存器控制對內部配置記憶體的訪問。可能的組合情況如下 ： 1 〃解鎖。 2 〃解密鎖定－透過程式設計介面提供的128位元金鑰能夠使元件解鎖。 3 〃永久鎖定－元件被永久鎖定。 為了進一步加強元件的安全性 ，可用一次性可程式設計（OTP ）模式。一旦