基于FPGA的汽車ECU設(shè)計(jì)

當(dāng)今的汽車制造商正在把越來(lái)越多的高級(jí)功能添加到汽車電子控制單元（ECU）中，以改善駕駛體驗(yàn)，增強(qiáng)安全性，當(dāng)然還期望超過(guò)同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的銷量。在這種情況下，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）計(jì)劃和功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262正在快速成為汽車ECU設(shè)計(jì)的技術(shù)和架構(gòu)基礎(chǔ)。

汽車產(chǎn)業(yè)利用可重配置硬件技術(shù)，可靈活地綜合車載功能。

當(dāng)今的汽車制造商正在把越來(lái)越多的高級(jí)功能添加到汽車電子控制單元(ECU)中，以改善駕駛體驗(yàn)，增強(qiáng)安全性，當(dāng)然還期望超過(guò)同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的銷量。在這種情況下，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)(AUTOSAR)計(jì)劃和功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262正在快速成為汽車ECU設(shè)計(jì)的技術(shù)和架構(gòu)基礎(chǔ)。

為了滿足新車型日益提高的功能需求，汽車電子產(chǎn)品的密度不斷增大，F(xiàn)PGA廠商也正在不斷推出更大型的器件。這些器件能夠集成所有的應(yīng)用，而且與前代器件相比，功耗更低，價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力。這種趨勢(shì)意味著可重配置計(jì)算技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

我們推出了一種具有開創(chuàng)性的方法，即使用可編程FPGA器件而非基于MCU的平臺(tái)作為ECU的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一款能夠同時(shí)滿足AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的汽車ECU。我們的設(shè)計(jì)方法對(duì)可重配置硬件的關(guān)鍵特性，比如并行性、可定制性、靈活性、冗余性和多功能性進(jìn)行了充分的探索。在概念設(shè)計(jì)完成后，我們希望在原型中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。賽靈思Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)成為了理想選擇。該款FPGA平臺(tái)將ARM雙核Cortex-A9 MPCore硬處理器和具備動(dòng)態(tài)部分可重配置功能的28nm賽靈思7系列可編程邏輯器件完美結(jié)合在一起，不但可充分滿足所需要求，而且還配備有CAN和以太網(wǎng)等車載網(wǎng)絡(luò)常用的片上通信控制器。

新興應(yīng)用

目前汽車計(jì)算能力借助通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)互連的ECU來(lái)分配。在未來(lái)幾年內(nèi)，由于機(jī)動(dòng)車輛中新應(yīng)用的興起，這樣的計(jì)算能力有望進(jìn)一步提高。這些新應(yīng)用包括安全和駕駛員輔助功能、車輛間通信功能、舒適性和控制功能、車載娛樂(lè)功能以及為數(shù)眾多的混合動(dòng)力電動(dòng)技術(shù)。毫無(wú)疑義，車輛電子設(shè)備的數(shù)量預(yù)計(jì)還會(huì)增加。根據(jù)分析人員的預(yù)測(cè)，汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場(chǎng)的規(guī)模將在未來(lái)五年內(nèi)以8%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。其中增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)之一涉及到微控制器（MCU）和可編程邏輯器件，比如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。

在車載功能的數(shù)量和先進(jìn)性與日俱增的同時(shí)，設(shè)計(jì)和管理這些系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜，汽車制造商認(rèn)為有必要采取有效方式來(lái)解決這一難題。其結(jié)果就是當(dāng)今AUTOSAR和ISO 26262兩大標(biāo)準(zhǔn)都在影響著實(shí)際汽車ECU軟硬件系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計(jì)和部署方式（見側(cè)邊欄）。

2003年由多家汽車制造商共同制定的AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)旨在為分布于車輛中的ECU定義標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)。而ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的目的則以功能安全性為中心，實(shí)質(zhì)上是以避免或檢測(cè)并處理故障為目的，從而減輕故障影響并防止出現(xiàn)對(duì)任何既有的系統(tǒng)安全目標(biāo)的違反行為。隨著全新的安全關(guān)鍵功能（比如駕駛員輔助或動(dòng)態(tài)控制）的推出，功能安全性已經(jīng)成為汽車開發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)于2011年批準(zhǔn)生效，可為軟硬件的安全開發(fā)提供支持。

因此，整個(gè)ECU的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程由需要系統(tǒng)性進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。我們的工作就是設(shè)計(jì)一款高性價(jià)比嵌入式計(jì)算平臺(tái)，采用可重配置硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)

AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)主要從軟件開發(fā)的角度著眼，面向的是基于微控制器單元的計(jì)算平臺(tái)。但是，硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計(jì)和可重配置計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用可為這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)眾多優(yōu)勢(shì)。雖然標(biāo)準(zhǔn)的MCU往往是汽車ECU硬件平臺(tái)的最佳選擇，但隨著新型FPGA成本的不斷降低，加上部分FPGA產(chǎn)品內(nèi)部集成有硬核處理器，使得FPGA器件也成為這個(gè)市場(chǎng)中值得廣泛應(yīng)用的理想解決方案。

為了在汽車應(yīng)用中發(fā)揮可重配置硬件的全部?jī)?yōu)勢(shì)，我們將以關(guān)于部署最終用戶功能的汽車計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中最為重要的ECU之一——“車身控制器模塊”為重點(diǎn)，通過(guò)使用案例展現(xiàn)這種技術(shù)的潛力。該ECU也稱為“車身域控制器”，負(fù)責(zé)綜合和控制車輛中主要的電子車身功能，比如擋風(fēng)玻璃雨刷/噴水系統(tǒng)、車燈、搖窗器、引擎點(diǎn)火/熄火、車外后視鏡和中控鎖。我們的目標(biāo)是在FPGA平臺(tái)上設(shè)計(jì)出一款配備有安全關(guān)鍵功能且符合AUTOSAR的ECU系統(tǒng)。

實(shí)際情景

如果汽車制造商要想經(jīng)濟(jì)高效地管理日益復(fù)雜的車輛功能，經(jīng)AUTOSAR提倡的ECU系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化則是必由之路。它能夠?qū)崿F(xiàn)分布在ECU中的各項(xiàng)功能的高度集成和軟件組件的重復(fù)使用。AUTOSAR的主要目的是定義一個(gè)統(tǒng)一的ECU架構(gòu)，讓硬件與軟件分離。這樣AUTOSAR通過(guò)定義硬件無(wú)關(guān)的接口，可提高軟件的重復(fù)使用。換句話說(shuō)，如果按照AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)編寫的軟件組件，只要正確集成到符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行環(huán)境中，就能夠在任何廠商的微控制器上運(yùn)行。

這項(xiàng)功能給汽車制造商帶來(lái)了更高的靈活性。由于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在的即插即用特性，汽車制造商可以在整個(gè)汽車平臺(tái)上以透明的方式更換不同供應(yīng)商開發(fā)的相同軟件模塊的各個(gè)版本，且不會(huì)給汽車中其余功能的發(fā)揮造成負(fù)面效果。最終硬件和軟件實(shí)現(xiàn)彼此高度獨(dú)立。這種分離是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件的API將抽象層互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。圖1是AUTOSAR定義的功能層的分解圖。

圖1 從MCU到應(yīng)用層的AUTOSAR分層模型

底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由MCU自身(即CPU和與其相連的部分標(biāo)準(zhǔn)外設(shè))構(gòu)成。微控制器之上是基礎(chǔ)軟件(BSW)，分為三層：粉色的微控制器抽象層(MCAL)、綠色的ECU抽象層(ECUAL)和復(fù)雜驅(qū)動(dòng)程序、紫色的服務(wù)層(SRV)。這三層經(jīng)組織形成了多個(gè)列或協(xié)議棧(存儲(chǔ)器、通信、輸入/輸出等)。

緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是MCU的抽象。該層的目的是提供一個(gè)硬件獨(dú)立的API，負(fù)責(zé)處理微控制器中的硬件外設(shè)。微控制器抽象層的上一層是ECU抽象層，負(fù)責(zé)抽象ECU開發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸(例如，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等)。接下來(lái)的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨(dú)立性，其作用是處理所需的不同類型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統(tǒng)看門狗的NVRAM處理或管理。通過(guò)這三層，AUTOSAR定義了一套基礎(chǔ)軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺(tái)下支持著汽車ECU各高級(jí)抽象層的所有功能。

第四層是運(yùn)行環(huán)境(RTE)，為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的BSW層和應(yīng)用層(APP)共同訪問(wèn)的一套信號(hào)(發(fā)送器/接收器端口)和服務(wù)(客戶端和服務(wù)器端口)構(gòu)成。該RTE從基礎(chǔ)軟件中抽象出應(yīng)用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼(APP))與特定的硬件相關(guān)代碼(BSW)分離的軟件協(xié)議棧架構(gòu)。換句話說(shuō)，RTE可將軟件應(yīng)用與硬件平臺(tái)分離。因此運(yùn)行在RTE上的所有軟件模塊都具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

在RTE之上，通過(guò)應(yīng)用層，軟件架構(gòu)方式從分層變?yōu)橐越M件為基礎(chǔ)。功能主要封裝在軟件組件(SWC)中。因此，完成AUTOSAR軟件組件接口的標(biāo)準(zhǔn)化是支持各項(xiàng)功能跨不同車輛平臺(tái)的ECU實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和可移植性的中心環(huán)節(jié)。除復(fù)雜驅(qū)動(dòng)程序外，AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定了這些組件的API及特性。SWC僅通過(guò)運(yùn)行環(huán)境與其他模塊(ECU間或內(nèi)部)通信。

隨著ECU不斷集成越來(lái)越多的功能，F(xiàn)PGA器件成為了單核或多核MCU的明智替代。通過(guò)從總體上把握AUTOSAR的不同層次，可以預(yù)見設(shè)計(jì)人員將這種架構(gòu)部署在可編程邏輯中所能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。下文將更深入地介紹我們的設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)基于定制靜態(tài)硬件(基于閃存或SRAM的FPGA技術(shù))的解決方案，然后將這種方法延伸為一種運(yùn)行時(shí)可重配置的硬件實(shí)現(xiàn)方案(基于SRAM的部分可重配置FPGA)。

基于FPGA靜態(tài)硬件的ECU設(shè)計(jì)

AUTOSAR架構(gòu)非常適合由CPU、存儲(chǔ)器和可編程邏輯組成的嵌入式系統(tǒng)。ECU平臺(tái)需要一個(gè)CPU或主機(jī)處理器來(lái)管理應(yīng)用并處理分布在應(yīng)用層的軟件組件中的不同功能。同時(shí)，MCU層和部分基礎(chǔ)軟件層可以在可編程邏輯結(jié)構(gòu)中的硬件中綜合。因此，除了能夠?qū)崿F(xiàn)與CPU相連的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，其它定制外設(shè)和協(xié)處理器也能夠在硬件中并存，并在軟件中完全或部分地加以管理。

另外從功能安全的角度來(lái)看，專用協(xié)處理器或內(nèi)核處理器也非常適用，因?yàn)橛盟鼈儗?shí)現(xiàn)功能可讓硬件從源頭避免干擾，即便要求冗余性，也能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)高靈活性。另外，居于中間的RTE層可以在分布于FPGA中的RAM模塊中，或者在嵌入在器件邏輯單元中的觸發(fā)器中以及外部存儲(chǔ)器中綜合。而且，RTE信號(hào)接口經(jīng)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)就能夠同時(shí)進(jìn)行讀寫操作(通過(guò)單端口存儲(chǔ)器)或限制架構(gòu)僅進(jìn)行讀操作或者寫操作(通過(guò)配有兩個(gè)獨(dú)立讀寫端口的單個(gè)雙端口存儲(chǔ)器)，以防范干擾，比如AUTOSAR所定義的彼此對(duì)應(yīng)的發(fā)送器和接收器軟件端口。

圖2 將AUTOSAR ECU架構(gòu)移植到FPGA平臺(tái)上

建議將基于MCU的AUTOSAR ECU架構(gòu)移植到可擴(kuò)展處理平臺(tái)(EPP)或者FPGA器件上，并在各層中確保清晰的系統(tǒng)分區(qū)，如圖2所示。位于RTE層以下的有操作系統(tǒng)(OS)、存儲(chǔ)器協(xié)議棧、通信協(xié)議棧、I/O協(xié)議棧等。位于RTE層以上的是軟件組件，它們用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用并通過(guò)AUTOSAR接口與RTE進(jìn)行通信。

由于AUTOSAR架構(gòu)內(nèi)在的復(fù)雜性，需要功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算平臺(tái)才能進(jìn)行部署。如今，典型的ECU設(shè)計(jì)基于運(yùn)行在MCU平臺(tái)上的32位單核處理器。但是單核越來(lái)越難以提供所需的全部計(jì)算能力。而使用多核CPU需要通過(guò)多處理器總線和仲裁機(jī)制共享程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，往往會(huì)導(dǎo)致高度復(fù)雜的解決方案，造成性能劣化。