電子設計自動化技術的領導廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《在新興異構SoCs上集成AUTOSAR、車載信息娛樂和儀表子系統(tǒng)》的研究報告。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 -- 異構多核系統(tǒng) -- 正快速成為汽車原始設備制造商及一級供應商的首選。這些系統(tǒng)的快速普及歸因于汽車電子的使用越來越多，需要控制設計成本的同時又要滿足越來越高的復雜性以及得益于汽車專用硅方面的重要改進。

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 -- 異構多核系統(tǒng) -- 正快速成為汽車原始設備制造商及一級供應商的首選。本文將探索新的電子控制單元硅平臺如何促進集成以及 AUTOSAR 在電子控制單元開發(fā)中的重要作用。

當你查看一輛汽車的內(nèi)部構造時，你會發(fā)現(xiàn)有很多的電子系統(tǒng)正在運作。如今的汽車系統(tǒng)可能包括：軍用夜視裝置來幫助識別人行道上的行人;先進的安全程序來確保安全氣囊在毫秒時間內(nèi)立刻打開;電子穩(wěn)定控制和防抱死制動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 -- 不論車載信息娛樂系統(tǒng)是否匹配了手持設備、只運行本地應用或是作為最新 4G/LTE 無線連接的節(jié)點。所有這些電子系統(tǒng)都需要電子控制單元 (ECUs) 實現(xiàn)正常運作。例如，當開發(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，就需要合理地安排一輛汽車中復雜的連接問題。如果一個優(yōu)先級別分類相對較低的子系統(tǒng)與一個優(yōu)先級別分類相對較高并且對安全至關重要的子系統(tǒng)共享一個電子控制單元時，你就會發(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如何促進集成以及 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，半導體生產(chǎn)商們正在開發(fā)精密高端的系統(tǒng)芯片 (SoC) 架構。這些新架構包括各種處理器內(nèi)核，這些處理器內(nèi)核擁有更強的能力來執(zhí)行復雜精密的任務。

集成一輛汽車內(nèi)的多個電子控制單元已經(jīng)成為全球領先汽車原始設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位應用處理器轉(zhuǎn)到低端32位電子控制單元，以便實現(xiàn)更高的性價比以及與復雜車載應用的更好融合。

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)商們更加重視標準化的制定以及汽車系統(tǒng)連接。此外，硬件平臺的改變引發(fā)了對軟件重新設計和支持的問題。 AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構)為業(yè)界帶來了統(tǒng)一的電子控制單元架構定義并為原始設備制造商和一級供應商帶來了統(tǒng)一的設計方法。

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計工程師能夠指定標準的可重復使用軟件層級和部件，這些部件在每個汽車電子控制單元中都必不可少。這個標準不受硬件限制，因此應用軟件和托管軟件的硬件平臺之間可以分開。AUTOSAR 支持多項總線技術，并使汽車設計人員能夠靈活地將 FlexRay、CAN、LIN 和以太網(wǎng)等總線網(wǎng)絡進行互連。網(wǎng)絡可以按等級進行排列，例如，有關環(huán)繞攝像網(wǎng)絡的子集群部署在以太網(wǎng)網(wǎng)絡上，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 標準化層級的電子控制單元以及缺乏AUTOSAR 標準化層級的電子控制單元。

隨著子系統(tǒng)的復雜性提高，AUTOSAR 標準的復雜性也在提高。AUTOSAR 4.x 包括60多種不同的電子控制單元類型。基于 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行在基于OSEK規(guī)范的可靠的實時操作系統(tǒng)上。

從單核到多核設計...

如今的車輛擁有很多功能，包括單核和多核處理器架構。在只需要一個功能的情況下，單核設計才最適用于嵌入式系統(tǒng)。一輛汽車可以包括幾個不同的設計，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)就是利用多核平臺的典型應用。

對于同時擁有單核和多核系統(tǒng)芯片的車輛，有許多使用案例：

每個系統(tǒng)芯片運行自己的操作系統(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用而設計的工具開發(fā)。 每個系統(tǒng)芯片包含各種不同類型的離散處理器。應用類型推動處理器擁有從低端微控制器到高端應用處理器等不同選擇。系統(tǒng)的每位“用戶”對部件的所有硬件擁有完全的所有權。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。每個組件獨立啟動，通過一些物理連接信息與其它部件交流。每個系統(tǒng)組件與其它組件的用途無關，他們只需在啟動并且準備通信時與其它部件相連。

異構設計

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

TI OMAP5432 系統(tǒng)芯片——從多核到異構環(huán)境。(圖像來源：ARM Holdings PLC 和 德州儀器 (Texas Instruments))[!--empirenews.page--]

除了這些不同的處理內(nèi)核，這個系統(tǒng)芯片上還有許多其它部件，包括內(nèi)存、緩存、輸入/輸出端口、安全功能等等。這些系統(tǒng)芯片架構支持集成，反過來則有助于汽車原始設備制造商應對全球競爭壓力。

異構多核系統(tǒng)芯片

到目前為止描述的范圍涉及多個電子部件和各個部件間的通信。隨著處理能力和整合功能的提升，先進的硬件設計和軟件開發(fā)技術必不可少。因此，MentorGraphics 使用異構多核開發(fā)工具開發(fā)了業(yè)界首個能夠提供全面的商業(yè)運行環(huán)境的解決方案，該方案可以選擇整合 AUTOSAR 標準。德州儀器的異構多核 Jacinto 6平臺便是擁有這樣一個系統(tǒng)芯片環(huán)境的例子(圖3)。

在異構多核系統(tǒng)芯片上整合范圍。

異構系統(tǒng)芯片開發(fā)挑戰(zhàn)

當項目從松散連接系統(tǒng)的離散開發(fā)搬到集成的異構環(huán)境中時，可能會出現(xiàn)巨大的開發(fā)挑戰(zhàn)。在離散開發(fā)時通常不會出現(xiàn)這些挑戰(zhàn)，因為開發(fā)人員能夠在他們自己設備的范圍內(nèi)進行設計、開發(fā)、測試和優(yōu)化，他們只需設計和測試與系統(tǒng)其他部分的通信接口。

但是如今通過異構集成，嵌入式開發(fā)人員必須解決許多新的挑戰(zhàn)，包括：

系統(tǒng)架構

由于一個系統(tǒng)芯片擁有許多異構核心，他們擁有許多選擇來向處理器內(nèi)核、GPU 設備、內(nèi)存、輸入/輸出端口以及如今廣泛獲得并可能共享的其它資源分配操作系統(tǒng)和應用。開發(fā)人員如今需要考慮架構如何才能最大程度滿足系統(tǒng)需求。

配置

架構師不僅需要考慮系統(tǒng)布局，他們還需要一種方法來配置系統(tǒng)。按照以往的經(jīng)驗，初步擬定的架構可能不會按照架構師預期的運行，因此開發(fā)人員需要能夠快速地重新配置系統(tǒng)并且確定是否能夠滿足系統(tǒng)需求。這個過程可能需要進行手動配置，較為緩慢，浪費了寶貴的開發(fā)周期。

啟動

在離散使用案例中，每個操作環(huán)境在其自己的硬件上啟動。而在異構多核的使用案例中，多個操作系統(tǒng)通常需要使用一個特定的序列啟動，因此開發(fā)人員需要根據(jù)系統(tǒng)要求并且考慮到系統(tǒng)芯片上硬件的共同特性找到一種以協(xié)調(diào)的方式啟動系統(tǒng)不同部分的框架和方法。在汽車環(huán)境中，控制器局域網(wǎng)通常需要在50毫秒內(nèi)啟動，這樣才能托管于更低功耗的內(nèi)核。功率更強大的搭載信息娛樂系統(tǒng)的內(nèi)核可能需要更長的時間來啟動。

調(diào)試

集成系統(tǒng)時，開發(fā)人員和測試人員需要找到一種方法來將系統(tǒng)視為一個整體。他們需要了解每個操作系統(tǒng)和應用環(huán)境是怎樣工作的。他們需要知道哪里可能存在共享資源爭用，或處理器、總線或設備的飽和。他們需要找到一種方法來了解系統(tǒng)某一部分的行為如何影響系統(tǒng)的另一部分，或被另一部分影響。開發(fā)人員需要一種方法來優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

隔離

設計人員需要確保，如果系統(tǒng)的一部分由于不良編程或惡意企圖發(fā)生故障，集成系統(tǒng)的其它部分不會受到影響，或者整個系統(tǒng)不會被累及或整體癱瘓。

設備共享

由于可能有很多操作系統(tǒng)環(huán)境和應用集成到同一個系統(tǒng)，服務于這些功能需求的硬件設備可能有限。這可能需要共享有限的硬件資源。設計師和開發(fā)人員需要一種方法來共享這些設備，同時保證單項功能不受影響。

處理器間通信(IPC)

多個應用整合到同一個系統(tǒng)芯片上需要一種方法來讓這些應用互相之間或與系統(tǒng)之間能夠通信。鑒于集成系統(tǒng)的異構性，這催生了對處理器間通信架構的需求，這種架構要能夠根據(jù)不同的應用擴展升級，包括開源軟件和注重 IP 保護的專有軟件環(huán)境。比如，在同一個多核系統(tǒng)芯片上共享儀表和信息娛樂系統(tǒng)時，就可以使用 VirtIO 或 RPMsg 等安全通信連接在這兩個領域共享有關車輛位置和速度的信息。

安全

憑借離散架構，系統(tǒng)設計師可以整合與外界連接的嵌入式設備內(nèi)的某項獨立功能，并使任何外部惡意攻擊遠離系統(tǒng)的其余部分。在集成過程中，這些安全功能可集成到一個異構多核系統(tǒng)芯片上，但系統(tǒng)芯片上硬件和其它設備的共享性質(zhì)又給阻擋攻擊帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著藍牙和 Wi-Fi 等無線通信媒介越來越多地使用于汽車中，拒絕服務攻擊的潛在訪問點數(shù)量也在增加。

結(jié)論

現(xiàn)在人買汽車都希望有高性能多媒體、無線連接、語音處理、導航和位置服務以及車身各處多個攝像頭和音頻視頻資料支持(僅舉幾例)。這些需求從而推動了對半導體廠商新的芯片系統(tǒng)解決方案的需求。異構多核系統(tǒng)芯片也必須支持多個網(wǎng)絡接口，來實現(xiàn)與 AUTOSAR 及汽車中多個不同網(wǎng)絡硬件層的使用安全軟件協(xié)議的其它電子控制單元之間的通信。

受業(yè)務趨勢的推動，系統(tǒng)集成和新的硬件異構系統(tǒng)芯片架構需求應運而生。原始設備制造商、設備制造商和設計團隊需要把握這一趨勢。毋庸置疑，隨著越來越多異構系統(tǒng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的車內(nèi)系統(tǒng)開發(fā)方法將被瓦解。