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汽車嵌入式SoC系統(tǒng)的應用與發(fā)展
嵌入式系統(tǒng)是泛計算領域的重要組成部分，是嵌入式對象宿主體系中完成某種特定功能的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點。隨著汽車技術的發(fā)展以及微處理器技術的不斷進步，在汽車電子技術中得到了廣泛應用。目前，從車身控制、底盤控制、發(fā)動機管理、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術的支持。
??????? 1 汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程
??????? 嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，經(jīng)歷了漫長的獨立發(fā)展的單片機道路[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
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???????????????????????????????????????????? 圖1 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)結構
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??????? 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轉換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結構比較復雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡單的實時任務，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動懸架以及發(fā)動機管理系統(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，在對海量離散時間信號要求快速處理的場合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴展的嵌入式應用需求，不斷提高處理程度，增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實時多任何處理能力，同時與網(wǎng)絡的耦合更為緊密。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術在汽車電子上的高端應用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴展、邏輯漸趨復雜、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的發(fā)展趨勢。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領域。
??????? 2 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)
??????? 2.1 技術特點
??????? 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向實時多任務管理、網(wǎng)絡耦合與通信的高端應用過渡的產物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實時性、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，它還具有以下幾個優(yōu)點：
??????? （1） 對實時多任務管理有很強的支持能力，中斷響應時間1~2μs;
??????? （2） 具有很強的存儲區(qū)保護功能；
??????? （3） 在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下能合理進行任務調度，充分利用系統(tǒng)資源；
??????? （4） 硬件結構和軟件功能都有很強的擴展能力，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；
??????? （6） 系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強，適應高溫、潮濕、振動和電磁輻射等各種工作環(huán)境；
??????? （7） 實時操作系統(tǒng)支持軟件多線程結構，增強了系統(tǒng)的軟件抗干
??????? （8） 提供強大的網(wǎng)絡通信功能，具備地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動軟件，提供容錯數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。?
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??????? 2.2 系統(tǒng)結構
??????? 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備，軟件包括應用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過數(shù)據(jù)結構、算法和通訊協(xié)議實現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運行平臺，執(zhí)行具體控制。
??????? 嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來越高，一般為模塊化結構，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴展實時時鐘模塊、SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲器，支持RISC技術、多級流水線技術與在片調試技術。系統(tǒng)的實時處理能力、可靠性和網(wǎng)絡通信能力大大增強。
現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務協(xié)調控制，軟件越來越龐大，越來越復雜，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)軟件的典型結構。它采用基于標準化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設計，系統(tǒng)內部通訊由交互層直接完成，保障應用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡層擁有數(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。嵌入式實時操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺模式，使用總線驅動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)先級的事件管理策略，通過API（應用程序接口）調用應用程序，根據(jù)郵箱、消息隊列和信號量機制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務。
??????? 2.3 常用的SoC系統(tǒng)平臺
??????? 為適應汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展潮流，各國的半異體和軟件制造商紛紛推出相應的嵌入式SoC產品。
??????? 著名的SoC硬件平臺包括：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，支持在片調試、三級流水線技術和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時鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無縫集成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時鐘和603MIPS的處理程度，集成統(tǒng)一的L2高速緩沖存儲器、DRAM控制器、PCI-X網(wǎng)橋和10/100MAC設備。著名的SoC軟件平臺即實時操作系統(tǒng)包括“QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實時、微核、基于優(yōu)先級、消息傳遞、搶占式多任務、多用戶分布式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，擁有模塊化結構，內核運行高速穩(wěn)定，通信能力和擴展裁剪能力很強。
在上述平臺中，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)中有著良好的應用前景。
??????? 3 SoC系統(tǒng)的典型應用
??????? 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)充分適應了汽車的工作環(huán)境和技術要求，在汽車電子技術上廣泛應用。其中北京理工大學正在研究的汽車ABS/ASR/ACC訂成化控制系統(tǒng)具有代表性。
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??????? ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)是綜合了制動防抱死功能（ABS）、驅動防滑功能（ASR）和自適應巡航功
??????? 系統(tǒng)選用32位SoC硬件平臺如Dragon ball核心的MC68E328以代原來的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。車載雷達選用法國AutoCruise公司生產的AC110型77GHz毫米波車載協(xié)達，雷達信號的處理采用DSP處理器，并通過CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動收發(fā)、容錯和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達成Mbps。采用CAN通信提高了控制系統(tǒng)的實時性，并為系統(tǒng)功能擴展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓撲結構如圖3所示。
??????? 汽車ABS/ASR/ACC系統(tǒng)軟件集成化的難點是：在保證控制實時性的前提下如何進行中斷管理和協(xié)調各項任務的優(yōu)先級，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實時操作系統(tǒng)十分必要。實時操作系統(tǒng)能合理分配軟、硬件資源，實時進行多任務并行處理，為系統(tǒng)進行HAC（坡起輔助系統(tǒng)）與EBD（電子制動力分配系統(tǒng)）等功能擴展提供了條件，同時支持多線程的軟件結構，增強了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用VxWorks，任務調度采用基于優(yōu)先級的搶占式策略?；诓僮飨到y(tǒng)和任務優(yōu)先級設定，具體的ABS、ASR和ACC控制功能由API調用應用程序實現(xiàn)。
??????? 汽車ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)采用新一代嵌入式技術，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性、可維護性和可擴展性。
??????? 4 SoC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
??????? 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可。今后汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將呈現(xiàn)出以下幾個發(fā)展趨勢：
??????? （1） 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將會向FPGA/CPLD（在線可編程門陣列）方向發(fā)展，系統(tǒng)由分式可編程互連邏輯單元構成，單元之間可以交換信息，大量運算由硬件直接完成，體系結構更加靈活，集成度更高；
??????? （2） 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)一的標準。為了提高軟硬件通用性，加快開發(fā)速度，降低成本，SoC系統(tǒng)迫切需要構建統(tǒng)一的標準與開發(fā)平臺，歐洲頒布的基于OSEK/VDX標準的MODISTARC規(guī)范將是汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的發(fā)展趨；
??????? （3） 隨著汽車局域網(wǎng)技術和智能交通技術的發(fā)展，嵌入式SoC系統(tǒng)將會形成以C級或D級網(wǎng)絡為基礎的整車分布式控制系統(tǒng)和以無線通信為基礎的遠程高頻網(wǎng)絡通信系統(tǒng)；
??????? （4） 嵌入式SoC系統(tǒng)的應用范圍將逐步從高檔車和進口車擴展到低檔車和國產車。
?汽車嵌入式系統(tǒng)近年來發(fā)展非常迅速，隨著后PC時代的來臨，基于網(wǎng)絡通信和實時多任務并行處理的嵌入式高端應用將會越來廣泛。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，在軟件上嵌入實時操作系統(tǒng)，具有功能多樣、集成度高、通信網(wǎng)絡化、開發(fā)快捷及成本低廉的特點，在汽車電子控制和車載網(wǎng)絡通信系統(tǒng)方面有著廣泛的應用，是未來汽車電子的最佳解決方案。
工商網(wǎng)監(jiān)
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