在SoC上集成车载信息娱乐和仪表子系统

电子设计自动化技术的领导厂商 Mentor Graphics近日发布一份题为《在新兴异构SoCs上集成AUTOSAR、车载信息娱乐和仪表子系统》的研究报告。全文内容如下。

将两种或更多不同微处理器 (MPUs) 和/或微控制器 (MCUs) 结合在一起的架构 -- 异构多核系统 -- 正快速成为汽车原始设备制造商及一级供应商的首选。这些系统的快速普及归因于汽车电子的使用越来越多，需要控制设计成本的同时又要满足越来越高的复杂性以及得益于汽车专用硅方面的重要改进。

将两种或更多不同微处理器 (MPUs) 和/或微控制器 (MCUs) 结合在一起的架构 -- 异构多核系统 -- 正快速成为汽车原始设备制造商及一级供应商的首选。本文将探索新的电子控制单元硅平台如何促进集成以及 AUTOSAR 在电子控制单元开发中的重要作用。

当你查看一辆汽车的内部构造时，你会发现有很多的电子系统正在运作。如今的汽车系统可能包括：军用夜视装置来帮助识别人行道上的行人;先进的安全程序来确保安全气囊在毫秒时间内立刻打开;电子稳定控制和防抱死制动来帮助汽车在恶劣天气里正常行驶;后视袖珍摄像头(传感器)来帮助驾驶人在可视情况不佳的情况下看清楚;别忘了车载信息娱乐 (IVI) 系统带来的用户体验 -- 不论车载信息娱乐系统是否匹配了手持设备、只运行本地应用或是作为最新 4G/LTE 无线连接的节点。所有这些电子系统都需要电子控制单元 (ECUs) 实现正常运作。例如，当开发人员开始将车载信息娱乐子系统与仪表系统结合在一起时，就需要合理地安排一辆汽车中复杂的连接问题。如果一个优先级别分类相对较低的子系统与一个优先级别分类相对较高并且对安全至关重要的子系统共享一个电子控制单元时，你就会发现这些问题更加棘手。

本文将探索新的电子控制单元硅平台如何促进集成以及 AUTOSAR 在电子控制单元开发中的重要作用。

电子控制单元的崛起

由于电子控制单元的使用越来越多以及汽车上的新功能不断增加，半导体生产商们正在开发精密高端的系统芯片 (SoC) 架构。这些新架构包括各种处理器内核，这些处理器内核拥有更强的能力来执行复杂精密的任务。

集成一辆汽车内的多个电子控制单元已经成为全球领先汽车原始设备制造商们最重要的工作。近期的研究表明，如今一辆高档豪车内配有近100个电子控制单元，这就牵涉到制造成本、线束互连以及零件采购等问题。我们注意到，目前制造商们正从8到16位应用处理器转到低端32位电子控制单元，以便实现更高的性价比以及与复杂车载应用的更好融合。

AUTOSAR 和电子控制单元的重要性

电子控制单元的使用日益普及使生产商们更加重视标准化的制定以及汽车系统连接。此外，硬件平台的改变引发了对软件重新设计和支持的问题。 AUTOSAR(汽车开放系统架构)为业界带来了统一的电子控制单元架构定义并为原始设备制造商和一级供应商带来了统一的设计方法。

AUTOSAR 的核心在于提供了统一的电子控制单元界面定义并使设计工程师能够指定标准的可重复使用软件层级和部件，这些部件在每个汽车电子控制单元中都必不可少。这个标准不受硬件限制，因此应用软件和托管软件的硬件平台之间可以分开。AUTOSAR 支持多项总线技术，并使汽车设计人员能够灵活地将 FlexRay、CAN、LIN 和以太网等总线网络进行互连。网络可以按等级进行排列，例如，有关环绕摄像网络的子集群部署在以太网网络上，需要低数据率的电子控制单元组，如门锁仍然部署在传统的 CAN 总线群上。

拥有 AUTOSAR 标准化层级的电子控制单元以及缺乏AUTOSAR 标准化层级的电子控制单元。

随着子系统的复杂性提高，AUTOSAR 标准的复杂性也在提高。AUTOSAR 4.x 包括60多种不同的电子控制单元类型。基于 AUTOSAR 的电子控制单元满足了用于最重要的车内部件的 ASIL 安全要求。AUTOSAR 电子控制单元通常运行在基于OSEK规范的可靠的实时操作系统上。

从单核到多核设计...

如今的车辆拥有很多功能，包括单核和多核处理器架构。在只需要一个功能的情况下，单核设计才最适用于嵌入式系统。一辆汽车可以包括几个不同的设计，这就需要多核处理能力，或图像处理单元(GPU)。一辆汽车的仪表显示或车载信息娱乐系统就是利用多核平台的典型应用。

对于同时拥有单核和多核系统芯片的车辆，有许多使用案例：

每个系统芯片运行自己的操作系统或操作环境，使用为其操作环境和正在使用的特定应用而设计的工具开发。 每个系统芯片包含各种不同类型的离散处理器。应用类型推动处理器拥有从低端微控制器到高端应用处理器等不同选择。系统的每位“用户”对部件的所有硬件拥有完全的所有权。这些硬件包括处理器、GPU、内存、输入/输出端口、缓存等等。 系统的离散部件通常是松散地连接到一起。每个组件独立启动，通过一些物理连接信息与其它部件交流。每个系统组件与其它组件的用途无关，他们只需在启动并且准备通信时与其它部件相连。

异构设计

为了帮助集成汽车电子环境，半导体制造商创造了结合异构核心和其它设备的复杂系统芯片架构。事实上，汽车生态系统是如何将离散设备的复杂功能集成到一个多核异构系统芯片上的极好例子。TI OMAP5432(图2)便是这样一个系统芯片例子，它包括两个ARM®Cortex®A15 应用处理器、两个ARM Cortex®M4 微控制器、一个 Imagination 公司的GPU、一个数字信号处理器 (DSP) 以及其它处理器。

TI OMAP5432 系统芯片——从多核到异构环境。(图像来源：ARM Holdings PLC 和 德州仪器 (Texas Instruments))