上海2014年10月17日電 /美通社/ -- 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)。
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(gòu)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。
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。基于 AUTOSAR 的電子控制單元滿足了用于重要的車內(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：
...到異構(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。
除了這些不同的處理內(nèi)核，這個(gè)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(gòu)支持集成，反過來則有助于汽車原始設(shè)備制造商應(yīng)對(duì)全球競(jìng)爭(zhēng)壓力。
異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片
到目前為止描述的范圍涉及多個(gè)電子部件和各個(gè)部件間的通信。隨著處理能力和整合功能的提升，先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)技術(shù)必不可少。因此，MentorGraphics 使用異構(gòu)多核開發(fā)工具開發(fā)了業(yè)界首個(gè)能夠提供全面的商業(yè)運(yùn)行環(huán)境的解決方案，該方案可以選擇整合 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)。德州儀器的異構(gòu)多核 Jacinto 6平臺(tái)便是擁有這樣一個(gè)系統(tǒng)芯片環(huán)境的例子（圖3）。
異構(gòu)系統(tǒng)芯片開發(fā)挑戰(zhàn)
當(dāng)項(xiàng)目從松散連接系統(tǒng)的離散開發(fā)搬到集成的異構(gòu)環(huán)境中時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)巨大的開發(fā)挑戰(zhàn)。在離散開發(fā)時(shí)通常不會(huì)出現(xiàn)這些挑戰(zhàn)，因?yàn)殚_發(fā)人員能夠在他們自己設(shè)備的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試和優(yōu)化，他們只需設(shè)計(jì)和測(cè)試與系統(tǒng)其他部分的通信接口。
但是如今通過異構(gòu)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(gòu)
由于一個(gè)系統(tǒng)芯片擁有許多異構(gòu)核心，他們擁有許多選擇來向處理器內(nèi)核、GPU 設(shè)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(yīng)用。開發(fā)人員如今需要考慮架構(gòu)如何才能較大程度滿足系統(tǒng)需求。
配置
架構(gòu)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(yàn)，初步擬定的架構(gòu)可能不會(huì)按照架構(gòu)師預(yù)期的運(yùn)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(gè)過程可能需要進(jìn)行手動(dòng)配置，較為緩慢，浪費(fèi)了寶貴的開發(fā)周期。
啟動(dòng)
在離散使用案例中，每個(gè)操作環(huán)境在其自己的硬件上啟動(dòng)。而在異構(gòu)多核的使用案例中，多個(gè)操作系統(tǒng)通常需要使用一個(gè)特定的序列啟動(dòng)，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(dòng)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(dòng)，這樣才能托管于更低功耗的內(nèi)核。功率更強(qiáng)大的搭載信息娛樂系統(tǒng)的內(nèi)核可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間來啟動(dòng)。
調(diào)試
集成系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)人員和測(cè)試人員需要找到一種方法來將系統(tǒng)視為一個(gè)整體。他們需要了解每個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)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(zhēng)用，或處理器、總線或設(shè)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(shè)計(jì)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(huì)受到影響，或者整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)被累及或整體癱瘓。
設(shè)備共享
由于可能有很多操作系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用集成到同一個(gè)系統(tǒng)，服務(wù)于這些功能需求的硬件設(shè)備可能有限。這可能需要共享有限的硬件資源。設(shè)計(jì)師和開發(fā)人員需要一種方法來共享這些設(shè)備，同時(shí)保證單項(xiàng)功能不受影響。
處理器間通信 (IPC)
多個(gè)應(yīng)用整合到同一個(gè)系統(tǒng)芯片上需要一種方法來讓這些應(yīng)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(gòu)性，這催生了對(duì)處理器間通信架構(gòu)的需求，這種架構(gòu)要能夠根據(jù)不同的應(yīng)用擴(kuò)展升級(jí)，包括開源軟件和注重 IP 保護(hù)的專有軟件環(huán)境。比如，在同一個(gè)多核系統(tǒng)芯片上共享儀表和信息娛樂系統(tǒng)時(shí)，就可以使用 VirtIO 或 RPMsg 等安全通信連接在這兩個(gè)領(lǐng)域共享有關(guān)車輛位置和速度的信息。
安全
憑借離散架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以整合與外界連接的嵌入式設(shè)備內(nèi)的某項(xiàng)獨(dú)立功能，并使任何外部惡意攻擊遠(yuǎn)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(gè)異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片上，但系統(tǒng)芯片上硬件和其它設(shè)備的共享性質(zhì)又給阻擋攻擊帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著藍(lán)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(wù)攻擊的潛在訪問點(diǎn)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(yǔ)音處理、導(dǎo)航和位置服務(wù)以及車身各處多個(gè)攝像頭和音頻視頻資料支持（僅舉幾例）。這些需求從而推動(dòng)了對(duì)半導(dǎo)體廠商新的芯片系統(tǒng)解決方案的需求。異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片也必須支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，來實(shí)現(xiàn)與 AUTOSAR 及汽車中多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)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(wù)趨勢(shì)的推動(dòng)，系統(tǒng)集成和新的硬件異構(gòu)系統(tǒng)芯片架構(gòu)需求應(yīng)運(yùn)而生。原始設(shè)備制造商、設(shè)備制造商和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要把握這一趨勢(shì)。毋庸置疑，隨著越來越多異構(gòu)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。
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