如何選擇汽車電子系統(tǒng)中的處理器

汽車正經(jīng)歷著一場數(shù)字革命的洗禮：純機械系統(tǒng)和模擬電子的時代一去不復(fù)返。現(xiàn)今的汽車是數(shù)字化的汽車，內(nèi)置了幾十甚至上百個嵌入式處理器，它們通過數(shù)字網(wǎng)路相互連接，以控制和優(yōu)化汽車內(nèi)幾乎每一個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。將來的汽車會集成更多的處理器，因為先進的應(yīng)用和性能要求更為復(fù)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(nèi)信息和娛樂系統(tǒng)等。 

    汽車市場要求處理器供應(yīng)商做出長期的承諾。例如，汽車制造商有時要求其供應(yīng)商對某一處理器產(chǎn)品提供長達10~15年的供應(yīng)承諾。下面我們將探討針對汽車數(shù)字信號處理應(yīng)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(yīng)用的特殊要求對面向汽車市場的處理器的影響。

     附表：處理器類型、代表性供應(yīng)商及處理器樣品 
  
    汽車應(yīng)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(zhì)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(yīng)商對其產(chǎn)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(guān)系到生命安全，汽車引擎、氣囊控制和剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵的汽車安全系統(tǒng)對處理器有十分嚴格的可*性和耐用性要求。因此，汽車安全系統(tǒng)應(yīng)用對處理器供應(yīng)商來說是最嚴峻的考驗。這些應(yīng)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(shè)計、制造、封裝和測試方法。  

    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，比如車內(nèi)導(dǎo)航和娛樂設(shè)備。盡管汽車整車制造商和汽車電子系統(tǒng)供應(yīng)商對這類應(yīng)用也要求高質(zhì)量的組件，但要求畢竟沒有關(guān)鍵性安全應(yīng)用那么高。例如，用于車內(nèi)系統(tǒng)的處理器一般不要求獲得汽車認證資格。  

    現(xiàn)在，對性能要求最高的汽車信號處理應(yīng)用是車內(nèi)導(dǎo)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(fù)雜計算方法，目前流行的查找表參考方法也將被復(fù)雜的實時運算方法所替代。  

    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(yīng)用的片上集成要求與其它信號處理應(yīng)用有很大的區(qū)別。因此，面向汽車應(yīng)用市場的供應(yīng)商必須針對這些應(yīng)用的特殊要求而專門設(shè)計其處理器。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)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(guān)鍵特性，因為這些系統(tǒng)要使用很大的查找表，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)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(diào)整。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(yīng)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?？上攵?，在這一市場上競爭的處理器供應(yīng)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(luò)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議針對不同的汽車系統(tǒng)。面向特定汽車應(yīng)用的處理器一般都為相關(guān)協(xié)議集成了網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。例如，控制域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議一般用于引擎和變速控制網(wǎng)絡(luò)。而面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)協(xié)議則針對車內(nèi)信息娛樂應(yīng)用，如音頻、視頻、導(dǎo)航及通信等。  

    對于面向關(guān)鍵應(yīng)用的處理器，先進的片上調(diào)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(diào)試特別有用。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)者希望它能夠鼓勵開發(fā)工具供應(yīng)商將片上調(diào)試追蹤單元添加進來，或加強對它的支持。  [!--empirenews.page--]

    車內(nèi)信息和娛樂系統(tǒng)是當前汽車應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(nèi)。針對車內(nèi)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(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(yīng)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(yīng)用的最佳選擇。然而，這類應(yīng)用對處理性能的要求也在不斷提高，處理器供應(yīng)商必須調(diào)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(yīng)用對價格特別敏感。處理器供應(yīng)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(yīng)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(jié)果，經(jīng)過汽車資格認證的處理器一般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)能一般不是主要問題。只有在引擎運轉(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(yīng)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)，它們的功耗必須很低以便電池耗能不會影響引擎啟動。例如，車內(nèi)信息娛樂設(shè)備就是這類應(yīng)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(yīng)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(wù)，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(xiàn)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(yīng)用，預(yù)留一些性能空間是比較明智的，尤其是車內(nèi)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(yīng)用(如語音識別、導(dǎo)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(jié)構(gòu)，所用指令簡單、普通且?guī)缀鯚o并行指令。GPP在強調(diào)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(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MIPS、ARM和PowerPC)已廣泛應(yīng)用于汽車和非汽車應(yīng)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(yīng)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(nèi)核)和飛思卡爾的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(yīng)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(nèi)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(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(yīng)用，因為它們一向以昂貴著稱。然而，最近幾年FPGA供應(yīng)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(jié)構(gòu)處理器(比如DSP和GPP)不同，F(xiàn)PGA不受預(yù)先設(shè)定的指令集限制。相反，F(xiàn)PGA可為系統(tǒng)設(shè)計者提供極大的設(shè)計靈活性，以便開發(fā)適于特定應(yīng)用的處理結(jié)構(gòu)。  [!--empirenews.page--]

    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(jié)構(gòu)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(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(xiàn)“軟”處理器內(nèi)核的出現(xiàn)，就像Altera的Nios II和賽靈思的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用FPGA實現(xiàn)，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(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)與采用FPGA結(jié)構(gòu)的專用硬件(比如特定算法加速器)的接口。  

    數(shù)字信號處理器遍布汽車各個角落  

    隨著汽車應(yīng)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)采用數(shù)字信號處理的應(yīng)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(chǎn)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(shù)字信號處理在汽車領(lǐng)域的新應(yīng)用既包括需要高信號處理性能的計算密集型應(yīng)用(如車道跟蹤系統(tǒng))，也包括僅需一般處理性能的應(yīng)用(如胎壓監(jiān)控系統(tǒng)－TPMS)。面向汽車信號處理應(yīng)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。基于視頻的安全和信息娛樂系統(tǒng)等高端應(yīng)用將需要更高的信號處理性能，而TPMS等低端應(yīng)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(nèi)置一個處理器用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)的趨勢。鑒于半導(dǎo)體產(chǎn)品的成本不斷降低，以及智能汽車器件的潛在好處，可以預(yù)見有一天我們的汽車將配有智能輪胎。