如何進行汽車電子系統(tǒng)中的處理器選擇

1、如何進行汽車電子系統(tǒng)中的處理器選擇汽車正經(jīng)受著一場數(shù)字革命的洗禮：純機械系統(tǒng)和模擬的時代一去不復返?，F(xiàn)今的汽車是數(shù)字化的汽車，內(nèi)置了幾十甚至上百個處理器，它們通過數(shù)字網(wǎng)路互相銜接，以控制和優(yōu)化汽車內(nèi)幾乎每一個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。未來的汽車會集成更多的處理器，由于先進的應用和性能要求更為復雜的信號處理算法，包括平安、引擎和尾氣排放控制、駕駛者與汽車的交互界面，以及車內(nèi)信息和消遣系統(tǒng)等。汽車市場要求處理器供給商做出長久的允諾。例如，汽車創(chuàng)造商有時要求其供給商對某一處理器產(chǎn)品提供長達1015年的供給允諾。下面我們將探討針對汽車數(shù)字信號處理應用的各種處理器類型，以及各個類型的優(yōu)缺點。此外，我們還將分析汽車應用

2、的特別要求對面對汽車市場的處理器的影響。汽車應用中處理器的挑選汽車系統(tǒng)所用處理器的挑選受多種因素的影響。最主要的挑選標準普通包括汽車認證資歷、片上集成度、性能、價格和節(jié)能等。軟件開發(fā)工具的質(zhì)量及軟件組件的可用性也會影響處處理器的挑選。處理器供給商對其產(chǎn)品的允諾以及未來的進展規(guī)劃等也是重要的考慮因素。因為關(guān)系到生命平安，汽車引擎、氣囊控制和剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵的汽車平安系統(tǒng)對處理器有非常嚴格的牢靠性和耐用性要求。因此，汽車平安系統(tǒng)應用對處理器供給商來說是最嚴重的考驗。這些應用要求處理器獲得汽車認證資歷，而且這類處理器都需要特地的設(shè)計、創(chuàng)造、封裝和測試辦法。有許多非關(guān)鍵信號處理汽車系統(tǒng)也需要大量的處理器

3、，比如車內(nèi)導航和消遣設(shè)備。盡管汽車整車創(chuàng)造商和系統(tǒng)供給商對這類應用也要求高質(zhì)量的組件，但要求究竟沒有關(guān)鍵性平安應用那么高。例如，用于車內(nèi)系統(tǒng)的處理器普通不要求獲得汽車認證資歷?，F(xiàn)在，對性能要求最高的汽車信號處理應用是車內(nèi)導航和消遣系統(tǒng)。再過幾年這一情形可能有所轉(zhuǎn)變，由于新的平安系統(tǒng)開頭采納視頻和雷達處理，而且引擎和剎車控制系統(tǒng)將采納基于模型的復雜計算辦法，目前流行的查找表參考辦法也將被復雜的實時運算辦法所替代。在處理器上集成適當?shù)耐庠O(shè)、存儲器和i/o接口有助于提高性能和穩(wěn)定性，以及降低功耗和系統(tǒng)成本。汽車應用的片上集成要求與其它信號處理應用有很大的區(qū)分。因此，面對汽車應用市場的供給商必需針對這

4、些應用的特別要求而特地設(shè)計其處理器。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器對面對汽車控制系統(tǒng)的處理器特殊實用。例如，一個引擎控制系統(tǒng)普通要接收來自數(shù)十個模擬的輸入信號。附表：處理器類型、代表性供給商及處理器樣品對面對汽車控制系統(tǒng)的處理器來說，片上閃存是一個關(guān)鍵特性，由于這些系統(tǒng)要用法很大的查找表，有時需要現(xiàn)場更新。如引擎控制系統(tǒng)所用的查找表就包含來自各種控制組件(比如加油器和點火線圈)的數(shù)萬個校準點(或類似輸出值)。校準點數(shù)據(jù)普通是在汽車出廠前在試驗室確定的，但汽車用法一段時光后某些校準點可能需要調(diào)節(jié)。片上閃存就可以利用從汽車經(jīng)銷商處下載的數(shù)據(jù)現(xiàn)場更新校準點或控制算法的其它參數(shù)。與采納單獨的閃存芯片相比，將閃存集成

5、在處理器上的最大益處在于系統(tǒng)性能的提高和成本的降低。雖然集成的片上閃存對系統(tǒng)開發(fā)商很有價值，但處理器供給商要實現(xiàn)它卻非易事。經(jīng)汽車認證的處理器對高溫的要求比主流閃存技術(shù)所能承受的溫度要高。可想而知，在這一市場上競爭的處理器供給商往往需要投入大量的資源以開發(fā)可在汽車系統(tǒng)上穩(wěn)定工作的閃存技術(shù)。數(shù)字網(wǎng)絡有助于分布式系統(tǒng)中處理器間的通信。有各式各樣的網(wǎng)絡協(xié)議針對不同的汽車系統(tǒng)。面對特定汽車應用的處理器普通都為相關(guān)協(xié)議集成了網(wǎng)絡收發(fā)器。例如，控制域網(wǎng)絡(can)協(xié)議普通用于引擎和變速控制網(wǎng)絡。而面對媒體的系統(tǒng)傳輸(most)協(xié)議則針對車內(nèi)信息消遣應用，如音頻、視頻、導航及通信等。對于面對關(guān)鍵應用的處理器

6、，先進的片上調(diào)試追蹤單元也非常實用。這種追蹤功能可為系統(tǒng)開發(fā)者提供具體的處理器、軟件和操作系統(tǒng)狀態(tài)信息，這些信息對驗證和調(diào)試特殊實用。針對全球嵌入式處理器調(diào)試接口的nexus 5001論壇標準定義了軟件與片上調(diào)試硬件的接口。該標準最早由ieee行業(yè)標準和技術(shù)組織(ieee-isto)于1999年制定，現(xiàn)已更新到ieee-isto 5001-2003。該標準的開發(fā)者希翼它能夠鼓舞開發(fā)工具供給商將片上調(diào)試追蹤單元添加進來，或加強對它的支持。車內(nèi)信息和消遣系統(tǒng)是當前汽車應用中對計算性能要求最高的信號處理系統(tǒng)，主要是由于這些系統(tǒng)涉及到視頻處理等需要強大信號處理功能的應用。一個高檔信息消遣系統(tǒng)可能包括多

7、通道音頻系統(tǒng)、dvd播放器、導航系統(tǒng)，以及免提移動電話，全部這些都集成進一個系統(tǒng)內(nèi)。針對車內(nèi)信息消遣系統(tǒng)的處理器包括相對高性能的、dsp增加型通用處理器(gpp)，以及dsp/gpp混合器件。這些處理器普通工作于200至750mhz的時鐘速率范圍內(nèi)。相反地，針對引擎和剎車控制等關(guān)鍵控制系統(tǒng)的處理器普通都是中等性能的處理器。采納較大的芯片創(chuàng)造工藝(如0.18或0.25微米)比較簡單滿足高溫等惡劣工作環(huán)境的要求，而且控制應用的處理速度要求普通不太高。因此，相對較低的最大處理器時鐘速度(40至150 mhz)和較大的創(chuàng)造工藝是這類應用的最佳挑選。然而，這類應用對處理性能的要求也在不斷提高，處理器供給

8、商必需調(diào)節(jié)策略，以便在滿足高溫要求的同時獲得更高的性能。汽車應用對價格特殊敏感。處理器供給商不得不開發(fā)高集成度的專用處理器以降低系統(tǒng)成本。雖然汽車應用對價格比較敏感，但汽車資歷認證過程卻代價不菲，而且這些成本會增強芯片成本。結(jié)果，經(jīng)過汽車資歷認證的處理器普通要比非認證的同類產(chǎn)品貴。在汽車信號處理系統(tǒng)中，高效節(jié)能普通不是主要問題。惟獨在引擎運轉(zhuǎn)和電池充電系統(tǒng)啟動的時候，引擎、底盤和剎車控制等系統(tǒng)才處于工作狀態(tài)。盡管如此，高效節(jié)能在某些應用中也很重要。有些系統(tǒng)在引擎關(guān)閉時處于工作狀態(tài)，它們的功耗必需很低以便電池耗能不會影響引擎啟動。例如，車內(nèi)信息消遣設(shè)備就是這類應用之一。還有些系統(tǒng)必需密封得很好以

9、免受到外界環(huán)境影響。在這種狀況下，這類系統(tǒng)的封裝可能會影響散熱，因此功耗不能太大。針對汽車應用的信號處理器在當今的汽車系統(tǒng)中，有無數(shù)類型的芯片用于完成信號處理任務，從8位到dsp，再到。在信號處理飾演重要角色的系統(tǒng)中，8位和16位mcu現(xiàn)已不常被采納，由于它們的處理性能有限。為降低成本，系統(tǒng)開發(fā)商往往挑選那些性能正巧夠用的處理器。但對某些應用，預留一些性能空間是比較明智的，尤其是車內(nèi)信息消遣系統(tǒng)，更能從這一性能空間的靈便性中獲益，由于有些功能應用(如語音識別、導航及音頻控制)在挑選處理器時進展得尚不完美。32位嵌入式通用處理器(gpp)普通用于中等性能要求的汽車信號處理控制系統(tǒng)。這一檔次的處理

10、器普通采納risc結(jié)構(gòu)，所用命令容易、一般且?guī)缀鯚o并行命令。gpp在強調(diào)決策和控制流變幻的算法處理上特殊有效，但許多狀況下其信號處理性能也不錯。此外，gpp也是很好的編譯對象。與一些難于編譯的特別dsp結(jié)構(gòu)相比，gpp編譯代碼是相當有效的。流行的32位gpp結(jié)構(gòu)(比如、和powerpc)已廣泛應用于汽車和非汽車應用系統(tǒng)。市場的廣泛認可所帶來的優(yōu)勢包括豐盛的第三方軟件組件供給和強大的開發(fā)工具支持。這一類別的處理器包括的tms470系列(基于arm7內(nèi)核)和的mpc500系列(基于powerpc內(nèi)核)。這兩種處理器都在32位通用處理器內(nèi)核上集成了汽車專用外設(shè)。飛思卡爾的mpc500系列處理器集成了

11、外設(shè)、存儲器和專用i/o接口，主要針對引擎和變速控制應用，它帶有大容量的閃存、多個can接口、一個nexus調(diào)試接口、多個，以及多個先進的定時模塊。dsp、dsp/gpp混合器件以及dsp增加型gpp普通用于車內(nèi)信息消遣系統(tǒng)及需要信號處理功能的控制系統(tǒng)。這些處理器帶有特別的功能，包括多積聚硬件、大容量存儲帶寬，以及采納多運行算法的命令。這些特性綜合起來，可大大加速數(shù)字信號處理算法，比同樣時鐘速率的gpp要快得多。dsp/gpp混合器件及dsp增加型gpp意在集成dsp和gpp的最佳特性：dsp的信號處理功能以及gpp在決策密集型算法和編譯代碼中的高效率。這種功能組合對那些既要求信號處理又需要決

12、策處理的系統(tǒng)尤其重要。這類處理器包括德州儀器的tms320c2000系列、飛思卡爾的mc56f83xx系列、的sh7760，以及模擬器件公司的adsp-bf53x(blackfin系列)。fpga似乎不大適合汽車處理應用，由于它們一向以昂貴著稱。然而，最近幾年fpga供給商推出了一系列低成本、高效率的器件，使得fpga也成為汽車系統(tǒng)的可選計劃。與傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)處理器(比如dsp和gpp)不同，fpga不受預先設(shè)定的命令集限制。相反，fpga可為系統(tǒng)設(shè)計者提供極大的設(shè)計靈便性，以便開發(fā)適于特定應用的處理結(jié)構(gòu)。因為fpga具有強大的并行處理能力，其信號處理速度比最快的固定結(jié)構(gòu)處理器還要快。但高性能

13、是要付出代價的：基于fpga的信號處理系統(tǒng)的開發(fā)成本要比固定結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)的成本高得多。雖然fpga在汽車系統(tǒng)中的作用會逐漸擴大，但目前它主要用于車內(nèi)信息消遣系統(tǒng)的接口。固然，一旦fpga進入汽車系統(tǒng)，它就會有更多其它用途，有可能會替代其它系統(tǒng)組件的功能。例如，隨著用fpga實現(xiàn)“軟”處理器內(nèi)核的浮現(xiàn)，就像的nios ii和的microblaze (二者都是32位risc處理器內(nèi)核)，微處理器可能會更多地采納fpga實現(xiàn)，而不是單獨的芯片。這樣可節(jié)約成本，由于軟核可以定制(設(shè)計者可以包括和剔除某些特性，也可以在功能和資源消耗上左右取舍)，而且還易于實現(xiàn)與采納fpga結(jié)構(gòu)的專用硬件(比如特定算法加

14、速器)的接口。數(shù)字信號處理器遍布汽車各個角落隨著汽車應用的電動和電控程度越來越高，數(shù)字信號處理將遍布汽車的各個角落。那些已經(jīng)采納數(shù)字信號處理的應用將會增強計算負荷，從而促使新一代高性能汽車處理器的進展。例如，飛思卡爾新型mcp4處理器的運行速度是其前一代產(chǎn)品mpc566的兩倍，而且新增的simd命令執(zhí)行功能可進一步提高其信號處理性能。數(shù)字信號處理在汽車領(lǐng)域的新應用既包括需要高信號處理性能的計算密集型應用(如車道跟蹤系統(tǒng))，也包括僅需普通處理性能的應用(如胎壓監(jiān)控系統(tǒng)tpms)。面對汽車信號處理應用的處理器具有很寬的性能范圍，而且未來更會趨于多樣化。基于視頻的平安和信息消遣系統(tǒng)等高端應用將需要更高的信號處理性能，而tpms等低端應用則需要節(jié)能高效的處理性能。更多的處理器，更廣的性能范圍，這一趨勢何時是終點？大概要等到嵌入式處理器滲透到汽車系統(tǒng)