在SoC上集成車載信息娛樂和儀表子系統(tǒng)

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《在新興異構(gòu)SoCs上集成AUTOSAR、車載信息娛樂和儀表子系統(tǒng)》的研究報(bào)告。全文內(nèi)容如下。

將兩種或更多不同微處理器 (MPUs) 和/或微控制器 (MCUs) 結(jié)合在一起的架構(gòu) -- 異構(gòu)多核系統(tǒng) -- 正快速成為汽車原始設(shè)備制造商及一級(jí)供應(yīng)商的首選。這些系統(tǒng)的快速普及歸因于汽車電子的使用越來越多，需要控制設(shè)計(jì)成本的同時(shí)又要滿足越來越高的復(fù)雜性以及得益于汽車專用硅方面的重要改進(jìn)。

將兩種或更多不同微處理器 (MPUs) 和/或微控制器 (MCUs) 結(jié)合在一起的架構(gòu) -- 異構(gòu)多核系統(tǒng) -- 正快速成為汽車原始設(shè)備制造商及一級(jí)供應(yīng)商的首選。本文將探索新的電子控制單元硅平臺(tái)如何促進(jìn)集成以及 AUTOSAR 在電子控制單元開發(fā)中的重要作用。

當(dāng)你查看一輛汽車的內(nèi)部構(gòu)造時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的電子系統(tǒng)正在運(yùn)作。如今的汽車系統(tǒng)可能包括：軍用夜視裝置來幫助識(shí)別人行道上的行人;先進(jìn)的安全程序來確保安全氣囊在毫秒時(shí)間內(nèi)立刻打開;電子穩(wěn)定控制和防抱死制動(dòng)來幫助汽車在惡劣天氣里正常行駛;后視袖珍攝像頭(傳感器)來幫助駕駛?cè)嗽诳梢暻闆r不佳的情況下看清楚;別忘了車載信息娛樂 (IVI) 系統(tǒng)帶來的用戶體驗(yàn) -- 不論車載信息娛樂系統(tǒng)是否匹配了手持設(shè)備、只運(yùn)行本地應(yīng)用或是作為最新 4G/LTE 無線連接的節(jié)點(diǎn)。所有這些電子系統(tǒng)都需要電子控制單元 (ECUs) 實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)作。例如，當(dāng)開發(fā)人員開始將車載信息娛樂子系統(tǒng)與儀表系統(tǒng)結(jié)合在一起時(shí)，就需要合理地安排一輛汽車中復(fù)雜的連接問題。如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)別分類相對(duì)較低的子系統(tǒng)與一個(gè)優(yōu)先級(jí)別分類相對(duì)較高并且對(duì)安全至關(guān)重要的子系統(tǒng)共享一個(gè)電子控制單元時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些問題更加棘手。

本文將探索新的電子控制單元硅平臺(tái)如何促進(jìn)集成以及 AUTOSAR 在電子控制單元開發(fā)中的重要作用。

電子控制單元的崛起

由于電子控制單元的使用越來越多以及汽車上的新功能不斷增加，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們正在開發(fā)精密高端的系統(tǒng)芯片 (SoC) 架構(gòu)。這些新架構(gòu)包括各種處理器內(nèi)核，這些處理器內(nèi)核擁有更強(qiáng)的能力來執(zhí)行復(fù)雜精密的任務(wù)。

集成一輛汽車內(nèi)的多個(gè)電子控制單元已經(jīng)成為全球領(lǐng)先汽車原始設(shè)備制造商們最重要的工作。近期的研究表明，如今一輛高檔豪車內(nèi)配有近100個(gè)電子控制單元，這就牽涉到制造成本、線束互連以及零件采購等問題。我們注意到，目前制造商們正從8到16位應(yīng)用處理器轉(zhuǎn)到低端32位電子控制單元，以便實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比以及與復(fù)雜車載應(yīng)用的更好融合。

AUTOSAR 和電子控制單元的重要性

電子控制單元的使用日益普及使生產(chǎn)商們更加重視標(biāo)準(zhǔn)化的制定以及汽車系統(tǒng)連接。此外，硬件平臺(tái)的改變引發(fā)了對(duì)軟件重新設(shè)計(jì)和支持的問題。 AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構(gòu))為業(yè)界帶來了統(tǒng)一的電子控制單元架構(gòu)定義并為原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商帶來了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法。

AUTOSAR 的核心在于提供了統(tǒng)一的電子控制單元界面定義并使設(shè)計(jì)工程師能夠指定標(biāo)準(zhǔn)的可重復(fù)使用軟件層級(jí)和部件，這些部件在每個(gè)汽車電子控制單元中都必不可少。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不受硬件限制，因此應(yīng)用軟件和托管軟件的硬件平臺(tái)之間可以分開。AUTOSAR 支持多項(xiàng)總線技術(shù)，并使汽車設(shè)計(jì)人員能夠靈活地將 FlexRay、CAN、LIN 和以太網(wǎng)等總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。網(wǎng)絡(luò)可以按等級(jí)進(jìn)行排列，例如，有關(guān)環(huán)繞攝像網(wǎng)絡(luò)的子集群部署在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，需要低數(shù)據(jù)率的電子控制單元組，如門鎖仍然部署在傳統(tǒng)的 CAN 總線群上。

擁有 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)化層級(jí)的電子控制單元以及缺乏AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)化層級(jí)的電子控制單元。

隨著子系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性也在提高。AUTOSAR 4.x 包括60多種不同的電子控制單元類型?；?AUTOSAR 的電子控制單元滿足了用于最重要的車內(nèi)部件的 ASIL 安全要求。AUTOSAR 電子控制單元通常運(yùn)行在基于OSEK規(guī)范的可靠的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上。

從單核到多核設(shè)計(jì)...

如今的車輛擁有很多功能，包括單核和多核處理器架構(gòu)。在只需要一個(gè)功能的情況下，單核設(shè)計(jì)才最適用于嵌入式系統(tǒng)。一輛汽車可以包括幾個(gè)不同的設(shè)計(jì)，這就需要多核處理能力，或圖像處理單元(GPU)。一輛汽車的儀表顯示或車載信息娛樂系統(tǒng)就是利用多核平臺(tái)的典型應(yīng)用。

對(duì)于同時(shí)擁有單核和多核系統(tǒng)芯片的車輛，有許多使用案例：

每個(gè)系統(tǒng)芯片運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)或操作環(huán)境，使用為其操作環(huán)境和正在使用的特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工具開發(fā)。 每個(gè)系統(tǒng)芯片包含各種不同類型的離散處理器。應(yīng)用類型推動(dòng)處理器擁有從低端微控制器到高端應(yīng)用處理器等不同選擇。系統(tǒng)的每位“用戶”對(duì)部件的所有硬件擁有完全的所有權(quán)。這些硬件包括處理器、GPU、內(nèi)存、輸入/輸出端口、緩存等等。 系統(tǒng)的離散部件通常是松散地連接到一起。每個(gè)組件獨(dú)立啟動(dòng)，通過一些物理連接信息與其它部件交流。每個(gè)系統(tǒng)組件與其它組件的用途無關(guān)，他們只需在啟動(dòng)并且準(zhǔn)備通信時(shí)與其它部件相連。

異構(gòu)設(shè)計(jì)

為了幫助集成汽車電子環(huán)境，半導(dǎo)體制造商創(chuàng)造了結(jié)合異構(gòu)核心和其它設(shè)備的復(fù)雜系統(tǒng)芯片架構(gòu)。事實(shí)上，汽車生態(tài)系統(tǒng)是如何將離散設(shè)備的復(fù)雜功能集成到一個(gè)多核異構(gòu)系統(tǒng)芯片上的極好例子。TI OMAP5432(圖2)便是這樣一個(gè)系統(tǒng)芯片例子，它包括兩個(gè)ARM®Cortex®A15 應(yīng)用處理器、兩個(gè)ARM Cortex®M4 微控制器、一個(gè) Imagination 公司的GPU、一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 以及其它處理器。

TI OMAP5432 系統(tǒng)芯片——從多核到異構(gòu)環(huán)境。(圖像來源：ARM Holdings PLC 和 德州儀器 (Texas Instruments))