汽車嵌入式SoC系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展
1 汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程
嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)道路[2]。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的發(fā)展類似，汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個(gè)發(fā)展階段：
第一階段： SCM(Single Chip Microcomputer)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核
圖1 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
第二階段：MCU(Micro Controller Unit)系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如A/D轉(zhuǎn)換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)任務(wù)，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動(dòng)懸架以及發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等。
第三階段：SoC(System of Chips)系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對(duì)海量離散時(shí)間信號(hào)要求快速處理的場(chǎng)合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的嵌入式應(yīng)用需求，不斷提高處理程度，增加存儲(chǔ)容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實(shí)時(shí)多任何處理能力，同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)的耦合更為緊密。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車電子上的高端應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展、邏輯漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力總成、底盤(pán)綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。
2 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)
2.1 技術(shù)特點(diǎn)
汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向?qū)崟r(shí)多任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)耦合與通信的高端應(yīng)用過(guò)渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，它還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1） 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)管理有很強(qiáng)的支持能力，中斷響應(yīng)時(shí)間1~2μs;
（2） 具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；
（3） 在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下能合理進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，充分利用系統(tǒng)資源；
（4） 硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，系統(tǒng)集成度大大提高，降低了成本；
（5） 超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為豪瓦級(jí)；
（6） 系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強(qiáng)，適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射等各種工作環(huán)境；
（7） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持軟件多線程結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的軟件抗干
（8） 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，提供容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
汽車嵌入式SoC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理和外圍設(shè)備，軟件包括應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運(yùn)行平臺(tái)，執(zhí)行具體控制。
嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，一般為模塊化結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過(guò)IP總線擴(kuò)展實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無(wú)縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉(zhuǎn)換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲(chǔ)器，支持RISC技術(shù)、多級(jí)流水線技術(shù)與在片調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增強(qiáng)。[!--empirenews.page--]
現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務(wù)協(xié)調(diào)控制，軟件越來(lái)越龐大，越來(lái)越復(fù)雜，使得嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車嵌入式SoC系統(tǒng)軟件的典型結(jié)構(gòu)。它采用基于標(biāo)準(zhǔn)化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)部通訊由交互層直接完成，保障應(yīng)用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)層擁有數(shù)據(jù)流處理能力，是不同系統(tǒng)層面間信息交換的中間接口，能最大程度地整合系統(tǒng)資源。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺(tái)模式，使用總線驅(qū)動(dòng)層和硬件抽象層管理I/O端口，合理分配CPU資源，采用基于優(yōu)先級(jí)的事件管理策略，通過(guò)API（應(yīng)用程序接口）調(diào)用應(yīng)用程序，根據(jù)郵箱、消息隊(duì)列和信號(hào)量機(jī)制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務(wù)。
2.3 常用的SoC系統(tǒng)平臺(tái)
為適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展潮流，各國(guó)的半異體和軟件制造商紛紛推出相應(yīng)的嵌入式SoC產(chǎn)品。
著名的SoC硬件平臺(tái)包括：Intel公司的StrongArm核心處理器，擁有32位RISC數(shù)據(jù)總線、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片調(diào)試、三級(jí)流水線技術(shù)和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心處理器，它是32位RISC處理器，擁有16.85MHz時(shí)鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無(wú)縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心處理器，它是64位RISC芯片，擁有300MHz時(shí)鐘和603MIPS的處理程度，集成統(tǒng)一的L2高速緩沖存儲(chǔ)器、DRAM控制器、PCI-X網(wǎng)橋和10/100MAC設(shè)備。著名的SoC軟件平臺(tái)即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括“QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實(shí)時(shí)、微核、基于優(yōu)先級(jí)、消息傳遞、搶占式多任務(wù)、多用戶分布式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，擁有模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)核運(yùn)行高速穩(wěn)定，通信能力和擴(kuò)展裁剪能力很強(qiáng)。
在上述平臺(tái)中，StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統(tǒng)在汽車SoC系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。
3 SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用
汽車嵌入式SoC系統(tǒng)充分適應(yīng)了汽車的工作環(huán)境和技術(shù)要求，在汽車電子技術(shù)上廣泛應(yīng)用。其中北京理工大學(xué)正在研究的汽車ABS/ASR/ACC訂成化控制系統(tǒng)具有代表性。
ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)是綜合了制動(dòng)防抱死功能（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑功能（ASR）和自適應(yīng)巡航功
系統(tǒng)選用32位SoC硬件平臺(tái)如Dragon ball核心的MC68E328以代原來(lái)的16位ABS控制器，提高了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐富。車載雷達(dá)選用法國(guó)AutoCruise公司生產(chǎn)的AC110型77GHz毫米波車載協(xié)達(dá)，雷達(dá)信號(hào)的處理采用DSP處理器，并通過(guò)CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動(dòng)收發(fā)、容錯(cuò)和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達(dá)成Mbps。采用CAN通信提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并為系統(tǒng)功能擴(kuò)展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
汽車ABS/ASR/ACC系統(tǒng)軟件集成化的難點(diǎn)是：在保證控制實(shí)時(shí)性的前提下如何進(jìn)行中斷管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)十分必要。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能合理分配軟、硬件資源，實(shí)時(shí)進(jìn)行多任務(wù)并行處理，為系統(tǒng)進(jìn)行HAC（坡起輔助系統(tǒng)）與EBD（電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)）等功能擴(kuò)展提供了條件，同時(shí)支持多線程的軟件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用VxWorks，任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式策略。基于操作系統(tǒng)和任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定，具體的ABS、ASR和ACC控制功能由API調(diào)用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。
汽車ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)采用新一代嵌入式技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。
4 SoC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
汽車嵌入式SoC系統(tǒng)具有卓越的性能，其優(yōu)越性逐漸被汽車界所認(rèn)可。今后汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將呈現(xiàn)出以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
（1） 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將會(huì)向FPGA/CPLD（在線可編程門(mén)陣列）方向發(fā)展，系統(tǒng)由分式可編程互連邏輯單元構(gòu)成，單元之間可以交換信息，大量運(yùn)算由硬件直接完成，體系結(jié)構(gòu)更加靈活，集成度更高；
（2） 在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上遵循通用的汽車電子系統(tǒng)開(kāi)放平臺(tái)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高軟硬件通用性，加快開(kāi)發(fā)速度，降低成本，SoC系統(tǒng)迫切需要構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與開(kāi)發(fā)平臺(tái)，歐洲頒布的基于OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的MODISTARC規(guī)范將是汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的發(fā)展趨；
（3） 隨著汽車局域網(wǎng)技術(shù)和智能交通技術(shù)的發(fā)展，嵌入式SoC系統(tǒng)將會(huì)形成以C級(jí)或D級(jí)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的整車分布式控制系統(tǒng)和以無(wú)線通信為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程高頻網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；
（4） 嵌入式SoC系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將逐步從高檔車和進(jìn)口車擴(kuò)展到低檔車和國(guó)產(chǎn)車。
汽車嵌入式系統(tǒng)近年來(lái)發(fā)展非常迅速，隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，基于網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理的嵌入式高端應(yīng)用將會(huì)越來(lái)廣泛。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)在硬件上采用32位或64位高性能處理器，在軟件上嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有功能多樣、集成度高、通信網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)發(fā)快捷及成本低廉的特點(diǎn)，在汽車電子控制和車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用，是未來(lái)汽車電子的最佳解決方案。
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