基于FPGA的汽車ECU設(shè)計(jì)充分符合AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)

　　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)劃和功能安全國際標(biāo)準(zhǔn) ISO26262 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)。為此，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 28 nm 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)算能力借助通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的ECU來分配。在未來幾年內(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、車載娛樂功能以及為數(shù)眾多的混合動(dòng)力電動(dòng)技術(shù)。毫無疑義，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)模將在未來五年內(nèi)以 8% 的年均復(fù)合增長率 （CAGR） 增長。其中增長最快的細(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。此外，汽車中不斷集成新的嵌入式功能的趨勢(shì)也提出了對(duì)并行計(jì)算架構(gòu)的需求。這在當(dāng)今的車載信息娛樂領(lǐng)域尤為明顯，在這種領(lǐng)域中高速數(shù)字信號(hào)處理正在敞開大門迎接 FPGA 技術(shù)。像賽靈思這樣的可編程邏輯供應(yīng)商和像 MathWorks 這樣的 EDA 工具廠商已對(duì)這個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯的興趣。

　　為了在汽車應(yīng)用中發(fā)揮可重配置硬件的全部優(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 通過定義硬件無關(guān)的接口，可提高軟件的重復(fù)使用。換句話說，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，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)無關(guān)性。

　　在 RTE 之上，通過應(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）。