汽车嵌入式SoC系统的应用与发展

       嵌入式 系统是泛计算领域的重要组成部分,是嵌入到对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统[1]。嵌入式系统有体积小、低功耗、集成度高、子系统间能通信融合的优点。随着 汽车 技术的发展以及微处理器技术的不断进步,在汽车电子技术中得到了广泛应用。目前,从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统都离不开嵌入式技术的支持。

       1 汽车嵌入式系统发展历程　　

       嵌入式系统诞生于微型机时代,经历了漫长的独立发展的单片机道路[2]。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似,汽车嵌入式系统也可以分为三个发展阶段: 　　

       第一阶段:SCM(Single Chip MICrocomputer)系统。以4位和低档8位微处理器为核心,将CPU和外围电路集成到一个芯片上,配置了外部

并行总线、串行通讯接口、SFR模块和布尔指令系统。硬件结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量小、软件结构也比较简单,不需要嵌入操作系统。这种底层的汽车SCM系统主要用于任务相对简单、数据处理量小和实时性要求不高的控制场合,如雨刷、车灯系统、仪表盘以及电动门窗等。 　　

       第二阶段:MCU(Micro Controller Unit)系统。以高档的8位和16位处理器为核心,集成了较多外部接口功能单元,如A/D转换、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等,配置了芯片间的串行总线;软件结构比较复杂,程序数据量有明显增加。第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的实时任务,目前在汽车电控系统中得到了最广泛的应用,如ABS系统、智能安全气囊、主动悬架以及发动机管理系统等。 　　

       第三阶段: SoC (System of Chips)系统。以性能极高的32位甚至64位嵌入式处理器为核心,在对海量离散时间信号要求快速处理的场合使用DSP作为协处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求,不断提高处理速度,增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理能力,同时与网络的耦合更为紧密[3]。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用,满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求,代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。

       2 汽车

       2 汽车嵌入式SoC系统 

       2.1 技术特点

       汽车嵌入式SoC系统是嵌入式系统向实时多任务管理、网络耦合与通信的高端应用过渡的产物,大大提高了汽车电子系统的实时性、可靠性和智能化程度。除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外,它还具有以下几个优点: 　　

       (1)对实时多任务处理有很强的支持能力,中断响应时间1～2μs; 　　

       (2)具有很强的存储区保护功能; 　　

       (3)在嵌入式实时操作系统的支持下能合理进行任务调度,充分利用系统资源; 　　

       (4)硬件结构和软件功能都有很强的扩展能力,系统集成度大大提高,降低了成本; 　　

       (5)超低功耗,汽车静态功耗为毫瓦级; 　　

       (6)系统硬件抗干扰能力增强,适应高温、潮湿、振动和电磁辐射等各种工作环境; 　　

       (7)实时操作系统支持软件多线程结构,增强了系统的软件抗干扰性; 　　

       (8)提供强大的网络通信功能,具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口,支持相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件,提供容错数据传输能力和更大通信带宽。

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       2.2 系统结构

       汽车 嵌入式 SoC 系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括嵌入式处理器和外围设备,软件包括应用软件和操作系统。软件通过数据结构、算法和通讯协议实现汽车电子控制策略,硬件则为软件提供了运行平台,执行具体控制。 　　

       汽车嵌入式SoC硬件系统集成度越来越高,一般为模块化结构,如图1(a)所示。在高性能CPU核心外通过IP总线扩展实时时钟模块、SRAM(静态随机存储器)及大容量FLASH,配置CAN总线与USB通信模块,无缝集成PWM输出、多通道串口、A/D转换接口与统一的高速缓冲存储器,支持RISC技术、多级流水线技术与在片调试技术。系统的实时处理能力、可靠性和网络通信能力大大增强[4]。 　　

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p;     现代汽车电子系统从单一控制逐渐发展到多变量多任务协调控制,软件越来越庞大,越来越复杂,使得汽车嵌入式系统需要寻找新的软件解决方案。图1(b)描述了汽车嵌入式SoC系统软件的典型结构。它采用基于标准化接口和通讯协议的模块化软件设计,系统内部通讯由交互层直接完成,保障应用程序间的信息传送。网络层拥有数据流处理能力,是不同系统层面间信息交换的中间接口,能最大程度地整合系统资源。嵌入式实时操作系统摒弃了传统操作系统的前后台模式,使用总线驱动层和硬件抽象层管理I/O端口,合理分配CPU资源,采用基于优先级的事件管理策略,通过API(应用程序接口)调用应用程序,根据邮箱、消息队列和信号量机制综合管理中断、系统行为和任务。

                                                            图1汽车嵌入式SoC系统结构 　　

       2.3 常用的SoC系统平台

       为适应汽车电子系统的发展潮流,各国的半导体和软件制造商纷纷推出相应的嵌入式SoC产品。 　　

       著名的SoC硬件平台包括:Intel公司的StrongArm核心处理器,拥有32位RISC数据总线、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集,支持在片调试、三级流水线技术和LCD控制;Motorola公司的Dragonball核心处理器,它是32位RISC处理器,拥有16.85MHz时钟频率和2.7MIPS的处理速度,无缝集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM输出,支持16位端口DRAM;NEC公司的VR核心处理器,它是64位RISC芯片,拥有300MHz时钟和603MIPS的处理速度,集成统一的L2高速缓冲存储器、DRAM控制器、PCI-X网桥和10/100MAC设备。著名的SoC软件平台即实时操作系统包括:QNX公司的QNX、Wind River公司的VxWorks和Integrated System公司的PSOSystem。它们都是实时、微核、基于优先级、消息传递、抢占式多任务、多用户分布式网络操作系统,拥有模块化结构,内核运行高速稳定,通信能力和扩展裁剪能力很强。 　　

       在上述平台中,StrongArm核心处理器和Dragonball核心处理器以及VxWorks操作系统在汽车SoC系统中有着良好的应用前景。

                                           图2 ABS/ASR/ACC集成化系统结构

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       3 SoC 系统的典型应用

       汽车 嵌入式 SoC系统充分适应了汽车的工作环境和技术要求,在汽车电子技术上广泛应用。其中北京理工大学正在研究的汽车ABS/ASR/ACC集成化控制系统具有代表性。 　　

       ABS/ASR/ ACC集成化系统是综合了制动防抱死功能(ABS)、驱动防滑功能(ASR)和自适应巡航功能(ACC)的汽车新型主动安全系统,系统结构如图2所示。其在硬件上充分利用各个子系统的现有元件,轮速传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、加速踏板传感器和探测雷达组成传感器网络,共用控制器和执行元件。在软件上应用信息融合、集中控制技术,通过对制动力矩和发动机输出功率的综合调节实现汽车制动防抱死、驱动防滑和自适应巡航功能。控制过程充分考虑三个逻辑模块上的相互关系,实现信息融合共享,例如ABS与ASR的车轮滑动率计算可以统一,ACC探测雷达获取的车速信息可以用来修正ABS参考车速[5]。 　　

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