嵌入式系統(tǒng)在車用電子的發(fā)展與應(yīng)用詳解

據(jù)報導(dǎo)，從體積走向小型化的移動電話，與生活息息相關(guān)的汽車，到巨無霸噴射客機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)無所不在的“嵌入”在我們生活中。嵌入式系統(tǒng)平臺的基本功能，除了大家熟知的應(yīng)用及效率的要求之外，特別強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定度和可靠度，因此當(dāng)車用嵌入式系統(tǒng)被開始運(yùn)用到各式各樣的車用電子產(chǎn)品，并通過不斷創(chuàng)新的思考模式后，帶給汽車安全革新及駕駛者新的體驗。新一代車用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，并非一般嵌入式系統(tǒng)所能夠比擬，而是一個全方位智慧的六度思維空間，使汽車添加了人性化元素。因此，本文將介紹嵌入式系統(tǒng)在車用電子的發(fā)展與應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)讓車用電子應(yīng)用開發(fā)更簡單

何謂“嵌入式系統(tǒng)”？簡單來說，嵌入式系統(tǒng)是一種具有控制、監(jiān)視或輔助的系統(tǒng)平臺，并同時擁有電腦般的軟硬件功能，但不需要像電腦般需要有強(qiáng)大的運(yùn)算或儲存功能，所以軟硬件的需求比比簡單，相對復(fù)雜度也比低；而嵌入式系統(tǒng)最大的特色在于“量身定做”的多元性，專為某一項產(chǎn)品所設(shè)計的特殊用途，例如：航空業(yè)、汽車業(yè)、智慧型機(jī)器人、工業(yè)控制等控制系統(tǒng)的領(lǐng)域，是一項快速而具有低成本開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)。

拜汽車電子廣泛應(yīng)用所賜，汽車電子IC控制器用于汽車上的數(shù)量越來越多，雖然電控系統(tǒng)方面可以提高汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但是也增加電路系統(tǒng)的復(fù)雜度，進(jìn)而降低汽車的可靠性，增加維修的難度。從整體布線的角度來分析，傳統(tǒng)電子設(shè)備的系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，如此一來，便會造成龐大的布線問題：如汽車動力總成控制、汽車電控系統(tǒng)，以及汽車安全系統(tǒng)等，都會有布線上的問題。為了應(yīng)對這些問題，車用嵌入式系統(tǒng)便取代了傳統(tǒng)的汽車電腦系統(tǒng)，成為車用系統(tǒng)中的新主流。

以車用嵌入式系統(tǒng)硬件平臺而言，比比適用于HIL（硬件回路）或是Bypass的環(huán)境，并運(yùn)用在多功能電路系統(tǒng)控制與通信系統(tǒng)的接口上，針對汽車駕駛的靈敏度以及安全性的考慮，可以獲得比高的靈活性及可靠度。另外，在軟件平臺則提供嵌入式操作系統(tǒng)以及強(qiáng)大的I/O應(yīng)用模塊軟件庫支持，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠，并方便快速開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。

在目前嵌入式操作系統(tǒng)廠商中，最積極的廠商之一便是IT軟件巨人微軟，從1998年開始以嵌入式操作系統(tǒng)WinCE跨入汽車市場，提供客制化的開發(fā)環(huán)境，并做為汽車內(nèi)娛樂至衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的控制中心。

圖1車用嵌入式平臺讓越來越復(fù)雜的車用電子變得更加簡單車用嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程

嵌入式系統(tǒng)集合了ROM、RAM、CPU、I/O在同一顆芯片，其中CPU在這幾年不斷的研究發(fā)展，歷經(jīng)4位、8位、16元，到現(xiàn)在32位甚至64位，對嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算性能的提升有極大幫助，目前在這方面投入的廠商有如過江之鯽。從基本架構(gòu)來看，嵌入式處理器大致上可分為RISC（ReducedInstructionSetComputer）與CISC（ReducedInstructionSetComputer）兩大主流，并利用一些簡單的指令，藉以降低編譯程序（Compiler）的工作，使線路可以達(dá)到最佳化的效果，提高執(zhí)行速率。

嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入汽車產(chǎn)業(yè)大致上可分成3個發(fā)展階段：

（1）單芯片微電腦控制系統(tǒng)

以4位和8位處理器為主要核心，配置外部平行總線、串列通信接口、SFR模塊系統(tǒng)；所需的元件包括：中央處理單元、內(nèi)存單元、輸入/輸出、時脈產(chǎn)生單元及相關(guān)周邊裝置，并制作在同一顆芯片上，成為一個獨立運(yùn)作的控制系統(tǒng)；但是，硬件結(jié)構(gòu)和功能也比比單一，處理效率低、存儲容量小、軟件結(jié)構(gòu)簡單，不需要嵌入操作系統(tǒng)。這種低端的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務(wù)相對簡單、資料處理量小和即時性要求不高的控制裝置，如：雨刷、車燈系統(tǒng)、儀俵盤，以及電動門窗等。

（2）MCU系統(tǒng)

以高檔的8位和16位處理器為核心，有了比多的外部接口功能，如：A/D轉(zhuǎn)換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串列總線，軟件結(jié)構(gòu)比比復(fù)雜，程序資料量有明顯增加，目前被廣泛應(yīng)用在汽車電控系統(tǒng)中，如：ABS系統(tǒng)、智慧安全氣囊、主動式懸吊系統(tǒng)，以及發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)等。

（3）SoC系統(tǒng)

以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，對于資料信號需求量比比高，要求比快處理速度，并使用DSP作為輔助運(yùn)算器所發(fā)展出來的系統(tǒng)架構(gòu)，這是為了滿足汽車系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的嵌入式應(yīng)用需求，以提高處理速度，增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有即時多工處理能力，同時與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)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。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。

圖2嵌入式軟件系統(tǒng)平臺開發(fā)流程SoC系統(tǒng)將成為車用電子未來潮流

既然車用嵌入式系統(tǒng)大多已朝著SoC系統(tǒng)的方向發(fā)展，SoC系統(tǒng)優(yōu)越的性能也逐漸被汽車電子產(chǎn)業(yè)所認(rèn)可，那么我們就來談?wù)勡囉们度胧狡脚_SoC系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，基本上車用嵌入式SoC系統(tǒng)會以FPGA/CPLD（線上可編程閘陣列）的模式發(fā)展；這是因為系統(tǒng)是由分散式可編程互連邏輯單元所構(gòu)成，并可以交換信息，經(jīng)由大量運(yùn)算過程并由硬件直接完成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加靈活，集成度更高。在系統(tǒng)開發(fā)上遵循通用的汽車電子系統(tǒng)開放平臺和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在提高軟硬件通用性之后，便能加快汽車電子的開發(fā)速度，以及降低成本。但目前來看，SoC系統(tǒng)還是需要建構(gòu)一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與開發(fā)平臺，如，歐洲頒布的基于OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的MODISTARC規(guī)范，將會影響到汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的發(fā)展趨勢。

圖3SoC系統(tǒng)需要建構(gòu)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與開發(fā)平臺“是新產(chǎn)品帶動新需求，還是新需求造就新產(chǎn)品”；我們也可以用相同的思考模式去思考汽車嵌入式系統(tǒng)平臺的未來。汽車嵌入式系統(tǒng)這幾年發(fā)展非常迅速，隨著后PC時代的來臨，以及汽車電子導(dǎo)引汽車進(jìn)入新領(lǐng)域的同時，在車內(nèi)局部的網(wǎng)域技術(shù)和智慧交通技術(shù)的強(qiáng)大發(fā)展之下，相信嵌入式SoC系統(tǒng)將會形成車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)通信和即時多工并行處理的車用電子產(chǎn)品將會越來越廣泛的被應(yīng)用。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，在軟件上嵌入了操作系統(tǒng)，具有功能多樣、集成度高、通信網(wǎng)絡(luò)化、開發(fā)快速及成本低廉的特點，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，將未來汽車電子的最佳解決方案。