汽車(chē)數(shù)字儀表群設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

本文首先將重點(diǎn)闡述汽車(chē)設(shè)計(jì)/可靠性方面的一些限制，然后會(huì)評(píng)測(cè)數(shù)字儀表群架構(gòu)，以及存儲(chǔ)子系統(tǒng)的取舍對(duì)于未來(lái)項(xiàng)目的性能、可靠性和成本有何影響。

數(shù)字式儀表群設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

數(shù)字式儀表群必須支持高性能實(shí)時(shí)處理需求(就像現(xiàn)有的消費(fèi)級(jí)顯示平臺(tái))，同時(shí)顯著提升設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期可靠性。汽車(chē)市場(chǎng)的OEM廠商(原始設(shè)備制造商)、一級(jí)供應(yīng)商和客戶絕不會(huì)將顯示故障視為消費(fèi)級(jí)電話或個(gè)人電腦經(jīng)常發(fā)生的小問(wèn)題。新的數(shù)字式儀表群需要打造一種簡(jiǎn)單易用、排除干擾的信息環(huán)境，從而促進(jìn)安全駕駛，這類(lèi)產(chǎn)品必須確保出色的性能水平以及長(zhǎng)期的可靠運(yùn)行，同時(shí)承受苛刻而惡劣的工作環(huán)境(例如，-40～+105℃的極端溫度范圍)。汽車(chē)行業(yè)在環(huán)境、安全和質(zhì)量方面的這些嚴(yán)苛要求導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期極為漫長(zhǎng)，有時(shí)開(kāi)發(fā)一項(xiàng)車(chē)輛顯示技術(shù)需要耗時(shí)3年，甚至更久。

汽車(chē)設(shè)計(jì)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程極為系統(tǒng)，以便找出并消除運(yùn)行或可靠性方面的問(wèn)題。此過(guò)程中，汽車(chē)設(shè)計(jì)師選擇的電子元件供應(yīng)商通常都采用TS16949等品質(zhì)要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，并且符合汽車(chē)電子委員會(huì)(AEC)苛刻的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。

一旦供應(yīng)商推出量產(chǎn)系統(tǒng)，零配件供應(yīng)商就必須持續(xù)監(jiān)測(cè)其內(nèi)部和外部的可靠性能，必要時(shí)采取糾正措施，確保缺陷零部件的百萬(wàn)分率(dppm)降到零。OEM廠商和一級(jí)供應(yīng)商同樣希望自己的供應(yīng)基地能夠提供長(zhǎng)期的產(chǎn)品支持和可用性;一旦部署汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)，再想停止就會(huì)產(chǎn)生高昂的成本，有時(shí)根本不可能為了支持壽命周期短暫的零部件而重新驗(yàn)證一款設(shè)計(jì)。某些情況下，重新驗(yàn)證的成本可能高達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元。

數(shù)字式儀表群采用的圖形內(nèi)容與日俱增，導(dǎo)致信息顯示系統(tǒng)更加精密復(fù)雜，這就不僅需要提高其性能水平，同時(shí)必須仍能可靠地完成基本目標(biāo)，即通知駕駛?cè)藛T基本的車(chē)輛和安全信息。例如，數(shù)字式儀表群必須能在車(chē)輛發(fā)動(dòng)之后以接近即時(shí)的方式提供車(chē)輛狀態(tài)信息，通常不到一秒就能在TFT屏幕上顯示重要的變速箱擋位信息(即P、R、D、1、2、3)。這就要求儀表群能夠瞬間啟動(dòng)，而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)師就需要仔細(xì)研究關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件層面的性能表現(xiàn)。即使只是在車(chē)輛發(fā)動(dòng)前提供胎壓不足警告這樣看似簡(jiǎn)單的信息，都能夠預(yù)先主動(dòng)減少潛在的安全問(wèn)題。

儀表群從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的過(guò)渡令人興奮，但如上所述，這種過(guò)渡同樣會(huì)提升復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)師不得不發(fā)覺(jué)創(chuàng)新解決方案，滿足苛刻的系統(tǒng)需求，例如實(shí)時(shí)顯示性能、長(zhǎng)期高度可靠及大幅削減成本等。

我們將研究如何以利用可靠而又極具成本效益的方式提供這些基本信息。

圖1是一張高級(jí)數(shù)字式儀表群示意圖。車(chē)輛的中央系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)通過(guò)其通信網(wǎng)絡(luò)以及內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器獲取輸入數(shù)據(jù)，并輸出至TFT顯示屏。數(shù)字式儀表群采用的系統(tǒng)架構(gòu)同很多消費(fèi)級(jí)高性能顯示平臺(tái)類(lèi)似。

圖1 高級(jí)數(shù)字式儀表群示意圖

汽車(chē)和消費(fèi)級(jí)顯示平臺(tái)都需要大容量存儲(chǔ)器來(lái)支持各自龐大的數(shù)字內(nèi)容;如今的汽車(chē)設(shè)計(jì)之中，3D圖形內(nèi)容、32位色彩、高分辨率和大顯示屏的出現(xiàn)導(dǎo)致存儲(chǔ)密度必須達(dá)到2Gb。

為創(chuàng)建內(nèi)容豐富的顯示系統(tǒng)，該內(nèi)容通常包括大字符集、多種字體、圖形影像以及多語(yǔ)言擴(kuò)展支持。數(shù)字式儀表群幀緩沖會(huì)依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生成并顯示。SOC顯示控制器會(huì)在系統(tǒng)顯示屏上渲染某一幀，同時(shí)SOC/圖形引擎會(huì)訪問(wèn)內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器，獲取、處理、保存幀緩沖中的下一組數(shù)據(jù)，以供后續(xù)顯示之用。當(dāng)今的SOC需要以高帶寬訪問(wèn)駐留在外部存儲(chǔ)器中的可靠代碼和數(shù)據(jù)，從而確保快速系統(tǒng)啟動(dòng)和高速實(shí)時(shí)處理。

數(shù)字式儀表群架構(gòu)和存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的取舍

存儲(chǔ)器架構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)施會(huì)影響嵌入式系統(tǒng)的性能等級(jí)和可靠性。我們會(huì)評(píng)測(cè)若干種存儲(chǔ)器架構(gòu)，以便闡述采用當(dāng)前技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的某些性能/成本取舍。首先，圖2簡(jiǎn)單概括了標(biāo)準(zhǔn)代碼映射存儲(chǔ)器架構(gòu)，高性能嵌入式顯示系統(tǒng)通常都采用這一架構(gòu)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)代碼映射存儲(chǔ)器架構(gòu)

系統(tǒng)控制器或通用處理單元(GPU)的集成度很高，囊括了圖形引擎、顯示控制器，不僅提供限定容量的RAM和閃存存儲(chǔ)器選擇，同時(shí)依然提供外部存儲(chǔ)器接口，從而滿足數(shù)字儀表群對(duì)于高性能和高密度存儲(chǔ)器的需求。外部存儲(chǔ)器分為兩種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品：DRAM和閃存。嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)主要分為3個(gè)步驟：首先是代碼/數(shù)據(jù)從閃存映射到DRAM，然后處理器、DRAM和其他關(guān)鍵部件進(jìn)行初始化，最后是執(zhí)行應(yīng)用程序。一旦開(kāi)始執(zhí)行代碼，即會(huì)顯示有用的信息。這種架構(gòu)擁有若干關(guān)鍵特性。SOC/DRAM的高速訪問(wèn)能力可以提升實(shí)時(shí)處理功能的性能表現(xiàn)。系統(tǒng)初始啟動(dòng)時(shí)間主要取決于映射和初始化的時(shí)間，而映射時(shí)間則取決于SOC/Flash訪問(wèn)帶寬以及從閃存?zhèn)鬏斨罝RAM的數(shù)據(jù)密度。

如前所述，高端數(shù)字式儀表群必須在車(chē)輛發(fā)動(dòng)之后能以接近即時(shí)的形式提供當(dāng)前的車(chē)輛狀態(tài)。檔位信息(即P、R、D、1、2、3)通常需在一秒之內(nèi)顯示在TFT屏幕上。這就要求閃存支持高速訪問(wèn)、超高存儲(chǔ)密度和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)完整，以滿足基本設(shè)計(jì)和質(zhì)量需求，同時(shí)要求確定采購(gòu)責(zé)任，確保產(chǎn)品長(zhǎng)期供貨穩(wěn)定。

目前，閃存供應(yīng)商可提供多種非易失存儲(chǔ)器(NVM)技術(shù)，其中應(yīng)用最廣的兩種技術(shù)就是NOR和NAND閃存。兩者在各方面具有不同的性能特點(diǎn)，例如：訪問(wèn)能力、可靠程度、產(chǎn)品生命周期和成本。汽車(chē)SOC通常支持多種接口配置，以訪問(wèn)外部并行和串行NOR閃存，而NAND閃存接口正逐漸得到越來(lái)越廣泛的支持。

請(qǐng)注意，SOC NAND接口的某個(gè)動(dòng)態(tài)變量決定了所需的ECC支持級(jí)別，尤其是考慮到NAND正快速過(guò)渡到光刻技術(shù)。NOR方面，頁(yè)模式和同步NOR閃存將繼續(xù)滿足汽車(chē)行業(yè)的嚴(yán)苛要求。例如，雪佛蘭Volt的E-Flex儀表群等新型高端數(shù)字式儀表群設(shè)計(jì)采用飛思卡爾(Freescale)的MPC5121e型SOC和Spansion的S29GL512N閃存。Spansion GL頁(yè)讀取訪問(wèn)技術(shù)支持高速讀取訪問(wèn)，其數(shù)據(jù)吞吐速率高達(dá)80MB/s，完全可以滿足Volt E-Flex儀表群的需求，確保其在汽車(chē)啟動(dòng)之后的一秒鐘之內(nèi)顯示變速箱擋位(即P、R、D、1、2、3)。

汽車(chē)芯片組和閃存供應(yīng)商的不斷創(chuàng)新催生出極具成本效益的全新混合數(shù)字式儀表群架構(gòu)(如圖3所示)。系統(tǒng)控制器(Freescale Spectrum)和閃存(Spansion Multi I/O SPI)可以?xún)?yōu)化TFT顯示架構(gòu)，提供更具成本效益的入門(mén)級(jí)儀表群解決方案。系統(tǒng)控制器通過(guò)嵌入式閃存執(zhí)行代碼，同時(shí)利用高帶寬多I/O SPI協(xié)議加載來(lái)自外部閃存的圖形數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)在內(nèi)部幀緩沖區(qū)進(jìn)行處理并保存，然后直接顯示到TFT屏幕上。這種大膽創(chuàng)新的混合架構(gòu)無(wú)需外部DRAM存儲(chǔ)器，不僅能夠滿足系統(tǒng)的性能和可靠性需求，同時(shí)可以?xún)?yōu)化成本。

圖3 混合存儲(chǔ)器架構(gòu)

請(qǐng)注意，這種應(yīng)用程序架構(gòu)需要數(shù)以?xún)|計(jì)的讀取周期，因而會(huì)影響NAND這類(lèi)技術(shù)的可用性。目前，NAND設(shè)備用于具有中、高讀取周期的應(yīng)用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更多的位干擾錯(cuò)誤。

新型多I/O SPI通信協(xié)議可用于系統(tǒng)控制器和外部SPI閃存之間的數(shù)據(jù)傳輸。多I/O SPI基于流行的串行外圍接口(SPI)，其訪問(wèn)性能經(jīng)配置可支持1?4個(gè)數(shù)據(jù)連接。這項(xiàng)功能可將SPI的訪問(wèn)能力從之前的不到10Mb/s提升至40Mb/s左右。Freescale和Spansion等汽車(chē)芯片組和閃存供應(yīng)商能夠提供各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，保證設(shè)計(jì)師充分利用多I/O SPI經(jīng)過(guò)改進(jìn)的訪問(wèn)帶寬，從而實(shí)現(xiàn)更好地控制成本，同時(shí)打造出性能出色的數(shù)字式儀表群。某些情況下，可使用兩個(gè)四路I/O SPI，支持高達(dá)80 MB/s的連續(xù)吞吐速率。

Spansion的多I/O SPI FL閃存系列依然支持低引腳數(shù)串行接口，而且支持更高的讀取帶寬，堪比目前的多引腳數(shù)閃存設(shè)備。Spansion SPI FL系列同樣可以滿足中高存儲(chǔ)密度和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)完整的要求，能夠在高達(dá)105℃的工作環(huán)境中保持正常運(yùn)行，同時(shí)符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。