上海2014年10月17日電 /美通社/ -- 電子(zi)設計自(zi)動化技術的領導廠商 Mentor Graphics近日(ri)發(fa)布一份題為(wei)《在新興(xing)異構SoCs上集成AUTOSAR、車載信息娛樂和儀表子(zi)系(xi)統》的研究(jiu)報告。全文內容如下。
將兩種或(huo)更多(duo)不同微(wei)(wei)處(chu)理器 (MPUs) 和/或(huo)微(wei)(wei)控制器 (MCUs) 結合在一(yi)起的(de)(de)架構 -- 異構多(duo)核系統 -- 正(zheng)快(kuai)速成為汽車(che)(che)原始(shi)設(she)備制造商(shang)及一(yi)級(ji)供應商(shang)的(de)(de)首選。這些系統的(de)(de)快(kuai)速普及歸因于汽車(che)(che)電子(zi)的(de)(de)使用(yong)越(yue)來越(yue)多(duo)，需要(yao)(yao)控制設(she)計成本的(de)(de)同時又要(yao)(yao)滿足越(yue)來越(yue)高(gao)的(de)(de)復雜性(xing)以及得益于汽車(che)(che)專用(yong)硅方(fang)面(mian)的(de)(de)重要(yao)(yao)改進(jin)。
當(dang)你查看一(yi)(yi)輛汽(qi)車(che)的(de)內(nei)部構造時(shi)，你會(hui)發現有很多的(de)電子(zi)(zi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)正(zheng)在運作。如(ru)今的(de)汽(qi)車(che)系(xi)(xi)(xi)統(tong)可能(neng)包括：軍用夜視裝置來(lai)幫(bang)助(zhu)識別(bie)人行道上的(de)行人；先(xian)進的(de)安(an)全程(cheng)序來(lai)確保(bao)安(an)全氣(qi)囊(nang)在毫秒時(shi)間(jian)內(nei)立(li)刻打開；電子(zi)(zi)穩定控(kong)(kong)制(zhi)和防抱死制(zhi)動(dong)來(lai)幫(bang)助(zhu)汽(qi)車(che)在惡劣天氣(qi)里正(zheng)常行駛(shi)；后(hou)視袖珍攝像頭（傳感器）來(lai)幫(bang)助(zhu)駕駛(shi)人在可視情況不佳的(de)情況下看清楚；別(bie)忘了(le)車(che)載信息娛(yu)樂(le) (IVI) 系(xi)(xi)(xi)統(tong)帶來(lai)的(de)用戶體驗 -- 不論(lun)車(che)載信息娛(yu)樂(le)系(xi)(xi)(xi)統(tong)是否(fou)匹配了(le)手(shou)持設備、只運行本地應用或是作為最新 4G/LTE 無線(xian)連接的(de)節點(dian)。所有這些電子(zi)(zi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)都需要(yao)電子(zi)(zi)控(kong)(kong)制(zhi)單元(yuan) (ECUs) 實(shi)現正(zheng)常運作。例如(ru)，當(dang)開發人員開始將車(che)載信息娛(yu)樂(le)子(zi)(zi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)與(yu)儀表系(xi)(xi)(xi)統(tong)結合在一(yi)(yi)起時(shi)，就(jiu)需要(yao)合理(li)地安(an)排一(yi)(yi)輛汽(qi)車(che)中復雜的(de)連接問(wen)題(ti)(ti)。如(ru)果一(yi)(yi)個(ge)優先(xian)級(ji)別(bie)分(fen)類相對較(jiao)低(di)的(de)子(zi)(zi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)與(yu)一(yi)(yi)個(ge)優先(xian)級(ji)別(bie)分(fen)類相對較(jiao)高并且對安(an)全至關重(zhong)要(yao)的(de)子(zi)(zi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)共享一(yi)(yi)個(ge)電子(zi)(zi)控(kong)(kong)制(zhi)單元(yuan)時(shi)，你就(jiu)會(hui)發現這些問(wen)題(ti)(ti)更加棘手(shou)。
本文將探索新的電(dian)子控(kong)制(zhi)(zhi)單元硅平臺如何(he)促進集成以及 AUTOSAR 在電(dian)子控(kong)制(zhi)(zhi)單元開發中的重要(yao)作(zuo)用(yong)。
電子控制單元的崛起
由于電子控(kong)制單元的(de)(de)使用(yong)越來(lai)越多以(yi)及汽車(che)上的(de)(de)新功能不斷增加，半導(dao)體生產商們正在開發精(jing)密高端的(de)(de)系統芯片 (SoC) 架構(gou)(gou)。這(zhe)些(xie)新架構(gou)(gou)包括各種處(chu)理器(qi)內核，這(zhe)些(xie)處(chu)理器(qi)內核擁有更強的(de)(de)能力來(lai)執行復雜精(jing)密的(de)(de)任務。
集(ji)成一(yi)輛(liang)汽(qi)車(che)內的(de)多個(ge)電(dian)子控制(zhi)(zhi)(zhi)單(dan)元已經成為全(quan)球領先汽(qi)車(che)原始設(she)備制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)商(shang)們(men)重要(yao)的(de)工作。近(jin)(jin)期的(de)研(yan)究表明，如(ru)今一(yi)輛(liang)高檔豪車(che)內配有近(jin)(jin)100個(ge)電(dian)子控制(zhi)(zhi)(zhi)單(dan)元，這(zhe)就(jiu)牽涉到(dao)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)成本、線束互連以及(ji)零件采購(gou)等問題。我們(men)注(zhu)意到(dao)，目前制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)商(shang)們(men)正從8到(dao)16位應(ying)用處(chu)理器轉(zhuan)到(dao)低端(duan)32位電(dian)子控制(zhi)(zhi)(zhi)單(dan)元，以便實現更(geng)高的(de)性價比以及(ji)與復雜車(che)載應(ying)用的(de)更(geng)好融合。
AUTOSAR 和電子控制單元的重要性
電子控制單(dan)元的(de)(de)使用(yong)日益普及使生產商(shang)們更(geng)加重視標準(zhun)化的(de)(de)制定以及汽車系(xi)(xi)統(tong)連(lian)接(jie)。此外，硬件平臺的(de)(de)改(gai)變引發了對軟件重新(xin)設計和(he)支持的(de)(de)問題。AUTOSAR（ 汽車開放系(xi)(xi)統(tong)架(jia)構）為業界(jie)帶來了統(tong)一的(de)(de)電子控制單(dan)元架(jia)構定義并為原(yuan)始設備制造商(shang)和(he)一級供應商(shang)帶來了統(tong)一的(de)(de)設計方法。
AUTOSAR 的核(he)心在于提供(gong)了統一的電子控制單元界面定義并(bing)使(shi)(shi)設(she)計工程師(shi)能夠(gou)指定標準的可重復使(shi)(shi)用軟件(jian)(jian)(jian)層級(ji)和(he)(he)部(bu)件(jian)(jian)(jian)，這些(xie)部(bu)件(jian)(jian)(jian)在每個汽(qi)車電子控制單元中都必不(bu)可少。這個標準不(bu)受硬(ying)件(jian)(jian)(jian)限制，因此應用軟件(jian)(jian)(jian)和(he)(he)托管軟件(jian)(jian)(jian)的硬(ying)件(jian)(jian)(jian)平臺之(zhi)間(jian)可以分開(kai)。AUTOSAR 支持多項總線(xian)技術，并(bing)使(shi)(shi)汽(qi)車設(she)計人員能夠(gou)靈活地將 FlexRay、CAN、LIN 和(he)(he)以太網(wang)等總線(xian)網(wang)絡進行(xing)互連。網(wang)絡可以按等級(ji)進行(xing)排列，例如，有(you)關環繞攝像(xiang)網(wang)絡的子集群部(bu)署(shu)在以太網(wang)網(wang)絡上(shang)，需(xu)要(yao)低數據率的電子控制單元組，如門鎖仍然部(bu)署(shu)在傳統的 CAN 總線(xian)群上(shang)。
隨著子(zi)(zi)系(xi)統(tong)的(de)(de)復雜性(xing)提(ti)高，AUTOSAR 標準的(de)(de)復雜性(xing)也在(zai)提(ti)高。AUTOSAR 4.x 包括60多種不(bu)同的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)控制(zhi)單元類型。基(ji)于(yu) AUTOSAR 的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)控制(zhi)單元滿(man)足(zu)了用(yong)于(yu)重要(yao)(yao)的(de)(de)車內(nei)部件(jian)的(de)(de) ASIL 安全要(yao)(yao)求。AUTOSAR 電(dian)(dian)子(zi)(zi)控制(zhi)單元通常運行(xing)在(zai)基(ji)于(yu)OSEK規范(fan)的(de)(de)可靠的(de)(de)實(shi)時操作系(xi)統(tong)上。
從單核到多核設計...
如今的(de)(de)(de)車輛擁有很多(duo)功(gong)能(neng)，包括(kuo)單(dan)核(he)和多(duo)核(he)處理器(qi)架構。在只需(xu)要一(yi)個功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)情況(kuang)下，單(dan)核(he)設計(ji)才最(zui)適(shi)用(yong)于嵌入(ru)式系(xi)統(tong)(tong)。一(yi)輛汽車可以包括(kuo)幾個不同的(de)(de)(de)設計(ji)，這就(jiu)需(xu)要多(duo)核(he)處理能(neng)力，或(huo)圖像處理單(dan)元（GPU）。一(yi)輛汽車的(de)(de)(de)儀表顯示或(huo)車載信息娛(yu)樂系(xi)統(tong)(tong)就(jiu)是利(li)用(yong)多(duo)核(he)平臺(tai)的(de)(de)(de)典型應用(yong)。
對于同時擁(yong)有單核和多核系(xi)統芯(xin)片(pian)的車(che)輛，有許多使用(yong)案例：
...到異構設計
為了幫助集成汽車電子環境，半導體制造商創造了結合異構核心和其它設備的復雜系統芯片架構。事實上，汽車生態系統是如何將離散設備的復雜功能集成到一個多核異構系統芯片上的極好例子。TI OMAP5432（圖2）便是這樣一個系統芯片例子，它包括兩個ARM® Cortex® A15 應用處理器、兩個ARM Cortex® M4 微控制(zhi)器(qi)(qi)、一(yi)(yi)個(ge) Imagination 公司的GPU、一(yi)(yi)個(ge)數字信號處(chu)理器(qi)(qi) (DSP) 以及其它處(chu)理器(qi)(qi)。
除了(le)這(zhe)些不同(tong)的處(chu)理內(nei)核，這(zhe)個系統芯片上還有許(xu)多其它部件，包(bao)括內(nei)存(cun)、緩存(cun)、輸(shu)入/輸(shu)出端口(kou)、安全功能(neng)等等。這(zhe)些系統芯片架構支持集(ji)成，反(fan)過來則有助于汽車原始設備制造商應對全球競爭壓力。
異構多核系統芯片
到目前為止描述的范圍(wei)涉及多(duo)個(ge)電子部件和各(ge)個(ge)部件間(jian)的通(tong)信。隨著處理能力和整合功能的提升，先進的硬件設(she)計和軟件開(kai)發技(ji)術(shu)必不可(ke)少(shao)。因(yin)此，MentorGraphics 使用異構(gou)多(duo)核開(kai)發工(gong)具(ju)開(kai)發了業(ye)(ye)界首個(ge)能夠(gou)提供全面的商業(ye)(ye)運行環境的解決方案，該方案可(ke)以選(xuan)擇(ze)整合 AUTOSAR 標準。德州儀器的異構(gou)多(duo)核 Jacinto 6平臺便(bian)是擁有(you)這樣一(yi)個(ge)系統芯片環境的例子（圖3）。
異構系統芯片開發挑戰
當項目從松散(san)連接系(xi)統(tong)的(de)(de)離(li)散(san)開發搬到集成(cheng)的(de)(de)異構(gou)環境中時(shi)，可能會(hui)出現(xian)(xian)巨大(da)的(de)(de)開發挑戰。在離(li)散(san)開發時(shi)通常(chang)不會(hui)出現(xian)(xian)這些(xie)挑戰，因為(wei)開發人員能夠在他(ta)(ta)(ta)們自己設(she)備(bei)的(de)(de)范圍內進行設(she)計、開發、測(ce)(ce)試和(he)優化，他(ta)(ta)(ta)們只需設(she)計和(he)測(ce)(ce)試與(yu)系(xi)統(tong)其他(ta)(ta)(ta)部分的(de)(de)通信接口。
但(dan)是(shi)如今通過異構集(ji)成，嵌(qian)入式開發人員必須解決許多新的挑戰，包括：
系統架構
由于一個(ge)系(xi)(xi)統芯(xin)片擁(yong)(yong)有許多(duo)異構(gou)核(he)心，他們擁(yong)(yong)有許多(duo)選擇來向處理器內核(he)、GPU 設備、內存、輸入/輸出端口以及如(ru)今廣(guang)泛(fan)獲得(de)并(bing)可能(neng)共享的(de)其它資源分配(pei)操作系(xi)(xi)統和(he)應(ying)用。開發人(ren)員如(ru)今需(xu)要考慮架構(gou)如(ru)何才(cai)能(neng)較大程(cheng)度(du)滿足系(xi)(xi)統需(xu)求。
配置
架構(gou)師(shi)(shi)不僅(jin)需要考慮系統(tong)布局，他(ta)們還需要一(yi)種方法來配置(zhi)系統(tong)。按照以(yi)往的(de)(de)經驗，初步擬定的(de)(de)架構(gou)可(ke)能(neng)不會按照架構(gou)師(shi)(shi)預期的(de)(de)運行，因(yin)此開(kai)發人員需要能(neng)夠快(kuai)速地重新配置(zhi)系統(tong)并且確定是否能(neng)夠滿足系統(tong)需求。這個過(guo)程可(ke)能(neng)需要進行手動配置(zhi)，較為緩慢，浪費了寶貴的(de)(de)開(kai)發周(zhou)期。
啟動
在離(li)散使(shi)用案例中(zhong)，每個(ge)操(cao)作環境在其自己的(de)(de)(de)(de)硬件上(shang)啟(qi)(qi)動(dong)。而在異(yi)構多(duo)核(he)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用案例中(zhong)，多(duo)個(ge)操(cao)作系統(tong)通(tong)常需(xu)要(yao)使(shi)用一(yi)個(ge)特定的(de)(de)(de)(de)序(xu)列(lie)啟(qi)(qi)動(dong)，因此開發人員(yuan)需(xu)要(yao)根據系統(tong)要(yao)求并且考慮到(dao)系統(tong)芯片(pian)上(shang)硬件的(de)(de)(de)(de)共同特性找(zhao)到(dao)一(yi)種以協調的(de)(de)(de)(de)方式(shi)啟(qi)(qi)動(dong)系統(tong)不同部分的(de)(de)(de)(de)框架和方法。在汽車環境中(zhong)，控(kong)制(zhi)器(qi)局域(yu)網通(tong)常需(xu)要(yao)在50毫秒內(nei)(nei)啟(qi)(qi)動(dong)，這(zhe)樣(yang)才能托管于更(geng)低功耗的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)核(he)。功率更(geng)強大的(de)(de)(de)(de)搭載信息(xi)娛樂系統(tong)的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)核(he)可能需(xu)要(yao)更(geng)長的(de)(de)(de)(de)時間來啟(qi)(qi)動(dong)。
調試
集成系統(tong)(tong)時，開發(fa)人員和測試人員需(xu)要(yao)找到一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)來(lai)將系統(tong)(tong)視為(wei)一(yi)(yi)個(ge)整(zheng)體(ti)。他(ta)們需(xu)要(yao)了(le)解每個(ge)操作(zuo)系統(tong)(tong)和應用環境(jing)是怎(zen)樣工作(zuo)的(de)。他(ta)們需(xu)要(yao)知道(dao)哪里可能(neng)存在共享(xiang)資源爭用，或(huo)處理器、總線(xian)或(huo)設備的(de)飽和。他(ta)們需(xu)要(yao)找到一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)來(lai)了(le)解系統(tong)(tong)某一(yi)(yi)部(bu)分的(de)行為(wei)如何影(ying)響系統(tong)(tong)的(de)另一(yi)(yi)部(bu)分，或(huo)被另一(yi)(yi)部(bu)分影(ying)響。開發(fa)人員需(xu)要(yao)一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)來(lai)優化(hua)系統(tong)(tong)的(de)整(zheng)體(ti)性能(neng)。
隔離
設計人員需要(yao)確保，如果系統的一部(bu)分(fen)由(you)于(yu)不(bu)良(liang)編程或(huo)(huo)惡意企圖發(fa)生故障，集成系統的其它部(bu)分(fen)不(bu)會受(shou)到(dao)影響，或(huo)(huo)者整個系統不(bu)會被累及或(huo)(huo)整體癱瘓。
設備共享
由于可能有(you)很多(duo)操作系統(tong)環境和應用集(ji)成到同一個系統(tong)，服務于這些(xie)功能需求的(de)硬件設備(bei)可能有(you)限(xian)。這可能需要共享(xiang)有(you)限(xian)的(de)硬件資源(yuan)。設計師和開發人員需要一種方(fang)法來共享(xiang)這些(xie)設備(bei)，同時保證(zheng)單項功能不受影響。
處理器間通信 (IPC)
多個(ge)應用整合到同一(yi)個(ge)系(xi)統(tong)芯片上需(xu)要一(yi)種方法(fa)來(lai)讓這些應用互相之間(jian)或與系(xi)統(tong)之間(jian)能夠通信。鑒于(yu)集成(cheng)系(xi)統(tong)的異(yi)構(gou)性，這催生了對(dui)處理器間(jian)通信架(jia)構(gou)的需(xu)求，這種架(jia)構(gou)要能夠根據不同的應用擴展(zhan)升級，包括(kuo)開源(yuan)軟件(jian)和注重 IP 保護的專(zhuan)有軟件(jian)環(huan)境(jing)。比如，在(zai)同一(yi)個(ge)多核系(xi)統(tong)芯片上共(gong)享(xiang)儀表(biao)和信息娛樂系(xi)統(tong)時，就(jiu)可以使用 VirtIO 或 RPMsg 等安全通信連接(jie)在(zai)這兩(liang)個(ge)領域共(gong)享(xiang)有關車輛位置和速(su)度的信息。
安全
憑借離散架(jia)構(gou)，系(xi)統(tong)設(she)計師可(ke)以整(zheng)合與外界連接的嵌入式設(she)備(bei)內(nei)的某項獨立功能，并使(shi)任何外部惡意攻擊遠離系(xi)統(tong)的其余部分。在(zai)集(ji)成過(guo)程中，這些安全(quan)功能可(ke)集(ji)成到一個(ge)異構(gou)多核(he)系(xi)統(tong)芯片上(shang)，但系(xi)統(tong)芯片上(shang)硬件和其它設(she)備(bei)的共享性質又給阻(zu)擋攻擊帶來(lai)了(le)新的挑戰。隨著(zhu)藍牙和 Wi-Fi 等(deng)無線通(tong)信媒介(jie)越(yue)來(lai)越(yue)多地(di)使(shi)用(yong)于汽車(che)中，拒(ju)絕(jue)服務(wu)攻擊的潛在(zai)訪(fang)問點數量也在(zai)增加。
結論
現在人(ren)買(mai)汽車都希(xi)望有高性能多(duo)媒體、無線連接(jie)(jie)、語音(yin)處理、導航和(he)位置服務以及車身(shen)各處多(duo)個攝像頭和(he)音(yin)頻視頻資料支(zhi)持（僅舉幾例）。這(zhe)些需(xu)求(qiu)(qiu)從(cong)而(er)推動了對半導體廠(chang)商(shang)新(xin)的(de)芯(xin)片(pian)系(xi)統解決(jue)方(fang)案的(de)需(xu)求(qiu)(qiu)。異構多(duo)核系(xi)統芯(xin)片(pian)也必須支(zhi)持多(duo)個網絡接(jie)(jie)口(kou)，來實現與 AUTOSAR 及汽車中多(duo)個不同網絡硬件(jian)層的(de)使(shi)用安全(quan)軟件(jian)協議的(de)其它電子(zi)控(kong)制單元(yuan)之間的(de)通信(xin)。
受業務趨勢的(de)推動，系統(tong)集成和新的(de)硬件異構(gou)系統(tong)芯片架構(gou)需求應(ying)運而生。原(yuan)始設(she)備制造商、設(she)備制造商和設(she)計團隊需要(yao)把握這一趨勢。毋(wu)庸(yong)置疑，隨著越來越多異構(gou)系統(tong)的(de)出現(xian)，傳統(tong)的(de)車內系統(tong)開(kai)發方法(fa)將被瓦解。
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