開(kāi)發(fā)適用于下一代汽車(chē)的汽車(chē)網(wǎng)關(guān)

本文作者：德州儀器(TI) 汽車(chē)處理器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 Subbu Venkat

汽車(chē)架構(gòu)正在快速演進(jìn)，車(chē)輛逐步從半自動(dòng)駕駛向最終的完全自動(dòng)駕駛發(fā)展。汽車(chē)制造商還加入了多種功能，例如智能訪問(wèn)、車(chē)輛共享、預(yù)測(cè)性維護(hù)、車(chē)輛跟蹤、車(chē)隊(duì)管理和空中 (OTA) 升級(jí)，以增強(qiáng)互聯(lián)能力和車(chē)載通信。這些高級(jí)功能生成的數(shù)據(jù)量不斷增加，需要通過(guò)高性能處理器進(jìn)行處理，并在 CAN、LIN 和高速網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）等接口之間安全可靠地進(jìn)行通信。因此，汽車(chē)制造商正在重新評(píng)估汽車(chē)網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程信息處理控制單元系統(tǒng)（TCU）的架構(gòu)。

汽車(chē)網(wǎng)關(guān)

汽車(chē)網(wǎng)關(guān)是一種核心功能為在車(chē)輛內(nèi)安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。車(chē)輛中可以存在多種網(wǎng)關(guān)：中央網(wǎng)關(guān)和域網(wǎng)關(guān)（或域控制器）。

中央網(wǎng)關(guān)可以在TCU、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)身、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、數(shù)字駕駛艙和 ADAS 應(yīng)用等多個(gè)域之間安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

域網(wǎng)關(guān)（或域控制器）具有類(lèi)似的功能，只不過(guò)它僅在其相應(yīng)域內(nèi)的 ECU 之間路由數(shù)據(jù)。

與域網(wǎng)關(guān)相比，中央網(wǎng)關(guān)通常需要更強(qiáng)的處理性能、更多的接口和更高帶寬的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。圖 1 說(shuō)明了如何在車(chē)輛中實(shí)現(xiàn)這兩種類(lèi)型的網(wǎng)關(guān)。

TCU

TCU 是車(chē)輛中用于連接互聯(lián)網(wǎng)和云的 ECU。隨著汽車(chē)制造商為車(chē)輛配備Wi-Fi^?、Bluetooth^? 和蜂窩數(shù)據(jù)功能，連接到

此連接技術(shù)使得緊急呼叫 (eCall) 成為可能，方便乘客在行駛中在線(xiàn)訪問(wèn)娛樂(lè)和其他內(nèi)容，同時(shí)還可為車(chē)輛中的數(shù)字內(nèi)容提供 OTA 軟件更新。

互聯(lián)網(wǎng)和云的汽車(chē)變得越來(lái)越普遍。 

圖1 示例SoC架構(gòu)，具有一個(gè)中央網(wǎng)關(guān)和兩個(gè)域網(wǎng)關(guān)

共享汽車(chē)、用手機(jī)訪問(wèn)取代遙控鑰匙、車(chē)隊(duì)管理和跟蹤、保險(xiǎn)提供商遠(yuǎn)程監(jiān)控駕駛習(xí)慣以及汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商遠(yuǎn)程監(jiān)控車(chē)輛狀況以安排預(yù)防性維護(hù)（如更換機(jī)油）等，這些新興趨勢(shì)都需要車(chē)輛連接到互聯(lián)網(wǎng)和云才能實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)新興趨勢(shì)是車(chē)輛能夠與其他車(chē)輛、基礎(chǔ)設(shè)施（如交通信號(hào)燈）甚至他人進(jìn)行通信，這一趨勢(shì)也有助于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的完全自動(dòng)駕駛。人們形象地稱(chēng)之為車(chē)對(duì)車(chē) (V2V) 和車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 以及車(chē)對(duì)人 (V2P)。專(zhuān)用短程通信 (DSRC) 或 c-V2X 連接通常有助于實(shí)現(xiàn)此類(lèi)通信。

簡(jiǎn)而言之，遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)（Telematics）可將汽車(chē)與外界聯(lián)系起來(lái)。圖 2 通過(guò)圖示對(duì)遠(yuǎn)程信息處理進(jìn)行了說(shuō)明。

另一個(gè)新興趨勢(shì)是車(chē)輛能夠與其他車(chē)輛、基礎(chǔ)設(shè)施（如交通信號(hào)燈）甚至他人進(jìn)行通信，這一趨勢(shì)也有助于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的完全自動(dòng)駕駛。人們形象地稱(chēng)之為車(chē)對(duì)車(chē) (V2V) 和車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 以及車(chē)對(duì)人 (V2P)。專(zhuān)用短程通信 (DSRC) 或 c-V2X 連接通常有助于實(shí)現(xiàn)此類(lèi)通信。

簡(jiǎn)而言之，遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)（Telematics）可將汽車(chē)與外界聯(lián)系起來(lái)。圖2通過(guò)圖示對(duì)遠(yuǎn)程信息處理進(jìn)行了說(shuō)明。

圖2 遠(yuǎn)程信息處理（Telematics）示例

不斷發(fā)展演進(jìn)的網(wǎng)關(guān)和 TCU 需要應(yīng)用處理器

汽車(chē)網(wǎng)關(guān)處理器通常是 32 位微控制器 (MCU)，具有內(nèi)置存儲(chǔ)和常用的網(wǎng)關(guān)接口，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (LIN) 和 FlexRay^TM 等低速接口。然而，隨著汽車(chē)的 ADAS 和連接功能不斷增加，車(chē)輛必須以非常低的延遲在各個(gè)域之間對(duì)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全可靠的處理和通信。       

由于 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率和 LIN 之類(lèi)的接口無(wú)法以較低的延遲來(lái)傳輸大量數(shù)據(jù)，因此汽車(chē)制造商正在遷移到基于以太網(wǎng) TCP/IP 的協(xié)議，以應(yīng)對(duì)更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。由于 TCP/IP 是消費(fèi)者領(lǐng)域中公認(rèn)的通信協(xié)議，它對(duì)人們很有吸引力。因此，與未經(jīng)證實(shí)的協(xié)議相比，其風(fēng)險(xiǎn)更低。

MCU 本身可能滿(mǎn)足不了未來(lái)網(wǎng)關(guān)的處理要求，因此性能更高的應(yīng)用處理器（Application Processor）正在取代或填補(bǔ)某些 MCU 功能，以處理和路由未來(lái)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。此外，隨著車(chē)載網(wǎng)絡(luò)向基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的遷移，由應(yīng)用處理器支持的汽車(chē)網(wǎng)關(guān)可以幫助快速高效地處理和路由各個(gè)域之間的數(shù)據(jù)。

互聯(lián)能力是實(shí)現(xiàn) OTA 更新娛樂(lè)內(nèi)容和其他服務(wù)（如共享汽車(chē)/拼車(chē)應(yīng)用和遠(yuǎn)程車(chē)輛訪問(wèn)）所必需的條件。TCU 具有一個(gè)用于提供連接的蜂窩或 Wi-Fi^? 調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)用于處理從調(diào)制解調(diào)器所接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理器。處理包括解密數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)并將其路由到網(wǎng)關(guān)或其他域 ECU。在當(dāng)前的架構(gòu)中，調(diào)制解調(diào)器和處理器集成在單個(gè)半導(dǎo)體器件中。但是，由于調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，因此汽車(chē)制造商正在改為使用將調(diào)制解調(diào)器與處理器分離的架構(gòu)。此外，汽車(chē)網(wǎng)關(guān)和 TCU 都在向由應(yīng)用處理器支持的基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)遷移，該應(yīng)用處理器。

具有 PCIe 等高速連接外設(shè)支持，并具有強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)處理和路由各個(gè)域之間的數(shù)據(jù)。將處理器與調(diào)制解調(diào)器相分離的優(yōu)點(diǎn)在于，僅更換調(diào)制解調(diào)器（無(wú)需改變處理器及在其上面運(yùn)行的所有相關(guān)軟件），即可將 ECU 快速遷移到新的調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)。

隨著汽車(chē)互聯(lián)性和自主性的提高，安全與防護(hù)在汽車(chē)網(wǎng)關(guān)和 TCU 中也變得越來(lái)越重要。專(zhuān)用的嵌入式安全處理器或子系統(tǒng)可以幫助保護(hù)對(duì)車(chē)輛安全密鑰的訪問(wèn)，增強(qiáng)通信通道的安全性，并確保可信軟件更新不被用于網(wǎng)絡(luò)攻擊。安全功能通常在經(jīng)安全認(rèn)證的分立 MCU 中實(shí)現(xiàn)。集成了應(yīng)用處理器和安全 MCU 的片上系統(tǒng) (SoC) 為汽車(chē) OEM 提供了更低的物料清單 (BOM) 成本。

開(kāi)發(fā)成本

如前文所述，網(wǎng)關(guān)和 TCU 系統(tǒng)在功能方面正變得越來(lái)越復(fù)雜。這給汽車(chē)制造商帶來(lái)了高昂的開(kāi)發(fā)成本。理想情況下，汽車(chē)所有層級(jí)/型號(hào)的供應(yīng)商均可避免此項(xiàng)成本。

OEM 和一級(jí)供應(yīng)商可以借助 Jacinto^TM DRAx 系列汽車(chē)處理器來(lái)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，該系列處理器可提供可擴(kuò)展且軟件互相兼容的平臺(tái)，有助于滿(mǎn)足下一代網(wǎng)關(guān)和 TCU 系統(tǒng)的需求。Jacinto DRA8x 汽車(chē)處理器通過(guò)支持各種高速 I/O（如 PCIe、USB3.x、千兆以太網(wǎng)以及 CAN-FD 和 LIN 等傳統(tǒng)汽車(chē)外設(shè)），幫助增強(qiáng)整個(gè)車(chē)輛的連接性。

這些處理器還經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，集成了片上 MCU 子系統(tǒng)，以幫助滿(mǎn)足 TCU、應(yīng)用處理器和汽車(chē)網(wǎng)關(guān)所需的實(shí)時(shí)處理需求和性能。

DRA829V 是 DRA8X 系列中最新的汽車(chē)處理器。DRA829V 是一款高性能的 SoC，它集成了多個(gè)計(jì)算和處理核心，使得汽車(chē)網(wǎng)關(guān)可以更輕松高效地管理和支持更高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)吞吐量。由于此器件配備了用于實(shí)時(shí)處理的 Arm? Cortex?-A72 MPU 集群和 Arm  Cortex-R5F 內(nèi)核集群以及高速外設(shè)（如 USB-3、集成 PCIe 交換機(jī)和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)）等特性，因此無(wú)需外部組件即可實(shí)現(xiàn)更高的帶寬數(shù)據(jù)傳輸。DRA829V 處理器的另一個(gè)關(guān)鍵特性是其集成的功能安全 MCU 子系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持片上 ASIL-B 至 ASIL-D 功能安全操作。DRA829V 處理器還包括一整套傳統(tǒng)的汽車(chē)外設(shè)，例如 CAN-FD、LIN 和 MOST。對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，DRA829 器件通過(guò)集成的高安全性模塊 (HSM) 支持安全引導(dǎo)和運(yùn)行時(shí)環(huán)境。此外，DRA829V 處理器還提供了各種計(jì)算能力和外設(shè)組合，可為多種汽車(chē)網(wǎng)關(guān)提供成本優(yōu)化的器件。

Jacinto DRA8x 處理器系列包含對(duì) Processor SDK 中多個(gè)高級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，同時(shí)它還具有全系列兼容且可擴(kuò)展的軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)，從而使得 OEM 可以在其產(chǎn)品系列中集成和重用設(shè)計(jì)成果，最終降低開(kāi)發(fā)成本。有了統(tǒng)一的軟件，汽車(chē)制造商便能夠縮小成本高昂的軟件研發(fā)投資規(guī)模，并通過(guò)其整個(gè)中央網(wǎng)關(guān)平臺(tái)為從入門(mén)級(jí)到高端級(jí)在內(nèi)的各類(lèi)車(chē)輛部署軟件。

創(chuàng)新下一代網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

汽車(chē)網(wǎng)關(guān)和 TCU 的架構(gòu)正在迅速變化，以在汽車(chē)的各個(gè)域之間高效地處理和傳輸大量數(shù)據(jù)。配備集成 MCU 子系統(tǒng)、應(yīng)用處理器和高速 I/O 功能的可擴(kuò)展 SoC 將有助于以更少的系統(tǒng) BOM 滿(mǎn)足這種新架構(gòu)的需求。

TI 的可擴(kuò)展硬件和軟件互相兼容 DRA8x SOC 系列有助于滿(mǎn)足新網(wǎng)關(guān)和 TCU 架構(gòu)的需求，從而幫助降低系統(tǒng) BOM 成本和汽車(chē)網(wǎng)關(guān)的開(kāi)發(fā)成本。