業界向來都選擇微控制器與微處理器來處理針對儀表、車門模組以及其他電子油門控制器中的控制功能。持續累積的設計經驗以及以往開發的程式碼，這兩項主要因素促使業者不斷地運用這兩種元件。

現今的趨勢是將軟體劃分成許多邏輯功能區塊，符合ECU的規格限制。但這些功能區塊必須等到編譯並針對特定元件進行設計後，才有辦法從程式碼中看出即時運作的問題。即使這些功能是獨立進行開發，但在已預先定義先後順序的結構中，仍依照順序來運作。

業者甚至無法立即觀察出時序問題。在功能模擬環境中無法找出訊號中斷衝突，因為業者的作法是僅測試他們認為能運作的部份，且幾乎不可能測試不確定的狀態或是即時錯誤狀況。在訊號中斷時才啟動的功能，必須在系統啟動並在即時模式下運作時，才能真正進行測試。在這個階段雖然能找出更多的錯誤，但必須等到產品真正開始實地運作後，才能開始執行與測試各種能想像到的中斷狀態。因此只能希望這不會是個重大錯誤，並且能在下次定期保養時以軟體更新的方式修復這些錯誤。

功能的相互關聯

若採用可編程邏輯元件，業者可以像使用微處理器或微控制器一樣建置獨立功能區塊的方式來開發系統。但有別於micro code程式碼，這些功能是完全獨立的，建置在硬體上，而非軟體，以即時模式運作，且較不會受重大錯誤或中斷狀態所影響。

無論在任何狀況下，每項功能皆能獨立運作，且每次都能達到預定目標。另一方面的優點是能在著手製造硬體之前模擬各種狀況，讓發生不符要求的運作及作業、或是執行順序不符的風險能大幅降低。

以設計儀表為例，當駕駛人按下開關時，該儀表必須立即顯示指示燈號、對指示轉速計狀態的CAN封包作出回應、並立即向駕駛人顯示煞車系統失靈的警告。以上這些作業都可能在一瞬間同時發生。

在軟體建構的系統中，這些作業必須依照先後順序來執行。工程師必須對錯誤訊息指派優先順序，但哪項作業該在何時執行以及執行的順序，則取決於中斷訊號何時傳至微處理器。

在PLD系統中，這些功能都以平行模式執行，當訊號傳到元件時就會立即顯示。對於需要高穩定度即時處理非中斷訊息的應用而言，FPGA與CPLD所具備的平行處理能力帶來極大的優勢。

《圖一　利用CPLD搭配微控制器，提供更多的I/O以連結多個LED指示燈號》

電路板層級功能

隨著設計日趨複雜，愈來愈多的週邊功能都交由8位元微控制器負責，然而這種控制器卻不見得有足夠的I/O資源。這項問題有許多解決方法，包括改用較昂貴的16位元微控制器。另一種方法是將整個設計分割成一個低成本8位元微控制器以及低成本CPLD（複雜可編程邏輯元件）。

以下便是一個例子。某系統內含多個ADC輸入端，根據輸入的資料對多個步進馬達（例如儀表指針）進行控制與定位，同時根據其他I/O進行LED控制以及開關輸入的作業。低成本微控制器適合支援序列訊號的處理，但本身的I/O資源有限，在作為晶片外部元件的介面時往往捉襟見肘。

CPLD可透過一個簡易的序列匯流排作為微控制器的連結介面，針對需要被控制的元件提供低成本的輸入與輸出介面。雖然這種方法可能提高電路板元件的數量，但加總一個8位元微控制器與CPLD的成本還是低於使用一個16位元微處理器的費用。

這種方法亦能讓電路板透過CPLD來適應許多客戶的組態，以連結許多被控制的元件。許多可編程邏輯元件大廠皆出產相關的CPLD產品，幫助設計業者降低設計難度、同時該類元件也僅需極低的耗電。

(圖一)為一個典型的例子，說明如何利用CPLD來搭配一個微控制器，提供更多的I/O以連結多個LED指示燈號，並提供I/O來控制多個馬達。這個範例的CPLD亦提供簡單的PWM功能以及ADC介面，輔助馬達控制的功能，以使用低成本的基本型微控制器來取代PWM。

介面與橋接

隨著ASSP與微控制器廠商支援愈來愈多的匯流排協定，業者面臨愈來愈嚴重的介面轉換問題，需要低成本且容易使用的解決方案。藉由提供成本最低的方法將一種匯流排協定轉換成另一種，CPLD元件能作為許多應用的橋接介面，其中包括電壓位準轉換（3.3V輸入轉換成1.8V輸出）、匯流排轉換應用（將某種專利語言轉換成業界標準語言）、 序列至平行以及平行至序列的匯流排轉換、以及DDR記憶體介面。

(圖二)顯示如何運用CPLD以連結高速記憶體；並同時展示了一個CPLD應用在不同電壓之間進行位準轉換的實例。

《圖二　DDR記憶體介面以及運用CPLD轉換位準》

結論

由於要面對小巧的ECU規格、極大的溫差、對品質與可靠度極高的要求、以及追求低廉的成本等條件，因此汽車設計向來是極具挑戰性的環境。現今的設計需要具備彈性、可升級以及容易測試等特性。

可編程邏輯元件是微處理器與微控制器的理想替代方案，因為它提供真正設計相關性以及平行處理的能力。在微控制器用完I/O或處理資源時，或著僅需要記憶體介面或轉換電壓時，CPLD便能發揮極大的效用。

（作者為Xilinx美商智霖汽車產品行銷經理）

延 伸 閱 讀	汽車硬體組件業、資訊硬體組件業正試圖進行綜效整合，以房車資訊生活應用為訴求，期創造新興的車用電子之新獲利領域。本文將以電子工程設計的角度來剖析車用電子的運用。相關介紹請見「車用電子全方位技術革新 」一文。 未來寬頻和多業務接入將是網路市場成長速度最快的領域，PLD結構靈活並支援多I/O標準轉換，它能夠滿足通訊標準不斷更新的要求，但是工程師對PLD實現標準I/O轉換介面的能力存在疑慮，本文介紹PLD作為高速I/O轉換器的技術和發展趨勢。你可在「 高速I/O是PLD在通訊領域應用的競爭焦點」一文中得到進一步的介紹。 MCU（Micro Controller Unit；MCU）已被廣泛應用在各個層面，從消費性產品到通訊系統，支援各種不同的工作。其中，8位元MCU因為同時擁有低成本及處理密集運算作業的能力而廣受歡迎。在「CPLD──新一代MCU解決方案 」一文為你做了相關的評析。

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