如何選擇面向汽車電子領域的處理器

汽車正經歷著一場數字革命的洗禮：純機械系統(tǒng)和模擬電子的時代一去不復返?，F今的汽車是數字化的汽車，內置了幾十甚至上百個嵌入式處理器，它們通過數字網路相互連接，以控制和優(yōu)化汽車內幾乎每一個系統(tǒng)的運轉。將來的汽車會集成更多的處理器，因為先進的應用和性能要求更為復雜的信號處理算法，包括安全、引擎和尾氣排放控制、駕駛者與汽車的交互界面，以及車內信息和娛樂系統(tǒng)等。 

表1：處理器類型、代表性供應商及處理器樣品 汽車應用中處理器的選擇 


    汽車系統(tǒng)所用處理器的選擇受多種因素的影響。最主要的選擇標準一般包括汽車認證資格、片上集成度、性能、價格和節(jié)能等。軟件開發(fā)工具的質量及軟件組件的可用性也會影響到處理器的選擇。處理器供應商對其產品的承諾以及將來的發(fā)展規(guī)劃等也是重要的考慮因素。 


    由于關系到生命安全，汽車引擎、氣囊控制和剎車系統(tǒng)等關鍵的汽車安全系統(tǒng)對處理器有十分嚴格的可靠性和耐用性要求。因此，汽車安全系統(tǒng)應用對處理器供應商來說是最嚴峻的考驗。這些應用要求處理器獲得汽車認證資格，而且這類處理器都需要專門的設計、制造、封裝和測試方法。 


    有許多非關鍵信號處理汽車系統(tǒng)也需要大量的處理器，比如車內導航和娛樂設備。盡管汽車整車制造商和汽車電子系統(tǒng)供應商對這類應用也要求高質量的組件，但要求畢竟沒有關鍵性安全應用那么高。例如，用于車內系統(tǒng)的處理器一般不要求獲得汽車認證資格。 


    現在，對性能要求最高的汽車信號處理應用是車內導航和娛樂系統(tǒng)。再過幾年這一情形可能有所改變，因為新的安全系統(tǒng)開始采用視頻和雷達處理，而且引擎和剎車控制系統(tǒng)將采用基于模型的復雜計算方法，目前流行的查找表參考方法也將被復雜的實時運算方法所替代。 


    在處理器上集成適當的外設、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)別。因此，面向汽車應用市場的供應商必須針對這些應用的特殊要求而專門設計其處理器。多通道模數轉換器對面向汽車控制系統(tǒng)的處理器特別有用。例如，一個引擎控制系統(tǒng)一般要接收來自數十個模擬傳感器的輸入信號。 


    對面向汽車控制系統(tǒng)的處理器來說，片上閃存是一個關鍵特性，因為這些系統(tǒng)要使用很大的查找表，有時需要現場更新。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)的數萬個校準點(或類似輸出值)。校準點數據一般是在汽車出廠前在實驗室確定的，但汽車使用一段時間后某些校準點可能需要調整。片上閃存就可以利用從汽車經銷商處下載的數據現場更新校準點或控制算法的其它參數。 


    與采用單獨的閃存芯片相比，將閃存集成在處理器上的最大好處在于系統(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，但處理器供應商要實現它卻非易事。經汽車認證的處理器對高溫的要求比主流閃存技術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應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。 


    數字網絡收發(fā)器有助于分布式系統(tǒng)中處理器間的通信。有各種各樣的網絡協(xié)議針對不同的汽車系統(tǒng)。面向特定汽車應用的處理器一般都為相關協(xié)議集成了網絡收發(fā)器。例如，控制域網絡(CAN)協(xié)議一般用于引擎和變速控制網絡。而面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)協(xié)議則針對車內信息娛樂應用，如音頻、視頻、導航及通信等。 


    對于面向關鍵應用的處理器，先進的片上調試追蹤單元也十分有用。這種追蹤功能可為系統(tǒng)開發(fā)者提供詳細的處理器、軟件和操作系統(tǒng)狀態(tài)信息，這些信息對驗證和調試特別有用。針對全球嵌入式處理器調試接口的Nexus 5001論壇標準定義了軟件與片上調試硬件的接口。該標準最早由IEEE行業(yè)標準和技術組織(IEEE-ISTO)于1999年制定，現已更新到IEEE-ISTO 5001-2003。該標準的開發(fā)者希望它能夠鼓勵開發(fā)工具供應商將片上調試追蹤單元添加進來，或加強對它的支持。 


    車內信息和娛樂系統(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)，主要是因為這些系統(tǒng)涉及到視頻處理等需要強大信號處理功能的應用。一個高檔信息娛樂系統(tǒng)可能包括多通道音頻系統(tǒng)、DVD播放器、GPS導航系統(tǒng)，以及免提移動電話，所有這些都集成進一個系統(tǒng)內。針對車內信息娛樂系統(tǒng)的處理器包括相對高性能的DSP、DSP增強型通用處理器(GPP)，以及DSP/GPP混合器件。這些處理器一般工作于200至750MHz的時鐘速率范圍內。 


    相反地，針對引擎和剎車控制等關鍵控制系統(tǒng)的處理器一般都是中等性能的處理器。采用較大的芯片制造工藝(如0.18或0.25微米)比較容易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一般不太高。因此，相對較低的最大處理器時鐘速度(40至150 MHz)和較大的制造工藝是這類應用的最佳選擇。然而，這類應用對處理性能的要求也在不斷提高，處理器供應商必須調整策略，以便在滿足高溫要求的同時獲得更高的性能。 


    汽車應用對價格特別敏感。處理器供應商不得不開發(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，但汽車資格認證過程卻代價不菲，而且這些成本會增加芯片成本。結果，經過汽車資格認證的處理器一般要比非認證的同類產品貴。在汽車信號處理系統(tǒng)中，高效節(jié)能一般不是主要問題。只有在引擎運轉和電池充電系統(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)在引擎關閉時處于工作狀態(tài)，它們的功耗必須很低以便電池耗能不會影響引擎啟動。例如，車內信息娛樂設備就是這類應用之一。還有些系統(tǒng)必須密封得很好以免受到外界環(huán)境影響。在這種情況下，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，有很多類型的芯片用于完成信號處理任務，從8位MCU到DSP，再到FPGA。在信號處理扮演重要角色的系統(tǒng)中，8位和16位MCU現已不常被采用，因為它們的處理性能有限。為降低成本，系統(tǒng)開發(fā)商往往選擇那些性能正好夠用的處理器。但對某些應用，預留一些性能空間是比較明智的，尤其是車內信息娛樂系統(tǒng)，更能從這一性能空間的靈活性中獲益，因為有些功能應用(如語音識別、導航及音頻控制)在選擇處理器時發(fā)展得尚不完善。 


    32位嵌入式通用處理器(GPP)一般用于中等性能要求的汽車信號處理控制系統(tǒng)。這一檔次的處理器一般采用RISC結構，所用指令簡單、普通且?guī)缀鯚o并行指令。GPP在強調決策和控制流變化的算法處理上特別有效，但許多情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殊DSP結構相比，GPP編譯代碼是相當有效的。流行的32位GPP結構(比如MIPS、ARM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)勢包括豐富的第三方軟件組件供應和強大的開發(fā)工具支持。這一類別的處理器包括德州儀器的TMS470系列(基于ARM7內核)和飛思卡爾的MPC500系列(基于PowerPC內核)。這兩種處理器都在32位通用處理器內核上集成了汽車專用外設。飛思卡爾的MPC500系列處理器集成了外設、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調試接口、多個ADC，以及多個先進的定時模塊。 


    DSP、DSP/GPP混合器件以及DSP增強型GPP一般用于車內信息娛樂系統(tǒng)及需要信號處理功能的控制系統(tǒng)。這些處理器帶有特殊的功能，包括多積聚硬件、大容量存儲帶寬，以及采用多運行算法的指令。這些特性綜合起來，可大大加速數字信號處理算法，比同樣時鐘速率的GPP要快得多。 


    DSP/GPP混合器件及DSP增強型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、瑞薩的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，因為它們一向以昂貴著稱。然而，最近幾年FPGA供應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)的可選方案。與傳統(tǒng)的固定結構處理器(比如DSP和GPP)不同，FPGA不受預先設定的指令集限制。相反，FPGA可為系統(tǒng)設計者提供極大的設計靈活性，以便開發(fā)適于特定應用的處理結構。 


    由于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構處理器還要快。但高性能是要付出代價的：基于FPGA的信號處理系統(tǒng)的開發(fā)成本要比固定結構軟件開發(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信息娛樂系統(tǒng)的接口。當然，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“軟”處理器內核的出現，就像Altera的Nios II和賽靈思的MicroBlaze (二者都是32位RISC處理器內核)，微處理器可能會更多地采用FPGA實現，而不是單獨的芯片。這樣可節(jié)省成本，因為軟核可以定制(設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)，而且還易于實現與采用FPGA結構的專用硬件(比如特定算法加速器)的接口。 


    數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，數字信號處理將遍布汽車的各個角落。那些已經采用數字信號處理的應用將會增加計算負荷，從而促使新一代高性能汽車處理器的發(fā)展。例如，飛思卡爾新型MCP5554處理器的運行速度是其前一代產品MPC566的兩倍，而且新增的SIMD指令執(zhí)行功能可進一步提高其信號處理性能。 


    數字信號處理在汽車領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))，也包括僅需一般處理性能的應用(如胎壓監(jiān)控系統(tǒng)－TPMS)。面向汽車信號處理應用的處理器具有很寬的性能范圍，而且將來更會趨于多樣化?；谝曨l的安全和信息娛樂系統(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，這一趨勢何時是盡頭？也許要等到嵌入式處理器滲透到汽車系統(tǒng)的每一個角落。想象一下這一場景：除了集成進每個輪胎的氣壓監(jiān)控器外(新型汽車將會強制實施)，每個輪胎還內置一個處理器用于收集和轉發(fā)關于其狀態(tài)和性能的信息。例如，輪胎可能會自動發(fā)出警告：“這是右前方輪胎，我注意到路面是濕的，但我的胎面花紋深度不足以應付這種狀況。” 


    你也許認為這有點太超前，但在汽車系統(tǒng)中采用更多的處理器將是不可逆轉的趨勢。鑒于半導體產品的成本不斷降低，以及智能汽車器件的潛在好處，可以預見有一天我們的汽車將配有智能輪胎。