探討關(guān)于汽車(chē)數字儀表群設計的挑戰

本文首先將重點(diǎn)闡述汽車(chē)設計/可靠性方面的一些限制，然后會(huì )評測數字儀表群架構，以及存儲子系統的取舍對于未來(lái)項目的性能、可靠性和成本有何影響。

數字式儀表群設計的挑戰

數字式儀表群必須支持高性能實(shí)時(shí)處理需求(就像現有的消費級顯示平臺)，同時(shí)顯著(zhù)提升設計的長(cháng)期可靠性。汽車(chē)市場(chǎng)的OEM廠(chǎng)商(原始設備制造商)、一級供應商和客戶(hù)絕不會(huì )將顯示故障視為消費級電話(huà)或個(gè)人電腦經(jīng)常發(fā)生的小問(wèn)題。

新的數字式儀表群需要打造一種簡(jiǎn)單易用、排除干擾的信息環(huán)境，從而促進(jìn)安全駕駛，這類(lèi)產(chǎn)品必須確保出色的性能水平以及長(cháng)期的可靠運行，同時(shí)承受苛刻而惡劣的工作環(huán)境(例如，-40～+105℃的極端溫度范圍)。

汽車(chē)行業(yè)在環(huán)境、安全和質(zhì)量方面的這些嚴苛要求導致開(kāi)發(fā)周期極為漫長(cháng)，有時(shí)開(kāi)發(fā)一項車(chē)輛顯示技術(shù)需要耗時(shí)3年，甚至更久。

汽車(chē)設計的規劃、設計和驗證流程極為系統，以便找出并消除運行或可靠性方面的問(wèn)題。此過(guò)程中，汽車(chē)設計師選擇的電子元件供應商通常都采用TS16949等品質(zhì)要求嚴格的設計方法開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，并且符合汽車(chē)電子委員會(huì )(AEC)苛刻的AEC-Q100標準。

一旦供應商推出量產(chǎn)系統，零配件供應商就必須持續監測其內部和外部的可靠性能，必要時(shí)采取糾正措施，確保缺陷零部件的百萬(wàn)分率(dppm)降到零。OEM廠(chǎng)商和一級供應商同樣希望自己的供應基地能夠提供長(cháng)期的產(chǎn)品支持和可用性;一旦部署汽車(chē)嵌入式系統，再想停止就會(huì )產(chǎn)生高昂的成本，有時(shí)根本不可能為了支持壽命周期短暫的零部件而重新驗證一款設計。某些情況下，重新驗證的成本可能高達數十萬(wàn)美元。

數字式儀表群采用的圖形內容與日俱增，導致信息顯示系統更加精密復雜，這就不僅需要提高其性能水平，同時(shí)必須仍能可靠地完成基本目標，即通知駕駛人員基本的車(chē)輛和安全信息。

例如，數字式儀表群必須能在車(chē)輛發(fā)動(dòng)之后以接近即時(shí)的方式提供車(chē)輛狀態(tài)信息，通常不到一秒就能在TFT屏幕上顯示重要的變速箱擋位信息(即P、R、D、1、2、3)。這就要求儀表群能夠瞬間啟動(dòng)，而要實(shí)現這一點(diǎn)，設計師就需要仔細研究關(guān)鍵系統和零部件層面的性能表現。即使只是在車(chē)輛發(fā)動(dòng)前提供胎壓不足警告這樣看似簡(jiǎn)單的信息，都能夠預先主動(dòng)減少潛在的安全問(wèn)題。

儀表群從模擬系統向數字系統的過(guò)渡令人興奮，但如上所述，這種過(guò)渡同樣會(huì )提升復雜程度，設計師不得不發(fā)覺(jué)創(chuàng )新解決方案，滿(mǎn)足苛刻的系統需求，例如實(shí)時(shí)顯示性能、長(cháng)期高度可靠及大幅削減成本等。

我們將研究如何以利用可靠而又極具成本效益的方式提供這些基本信息。

圖1 高級數字式儀表群示意圖

圖1是一張高級數字式儀表群示意圖。車(chē)輛的中央系統級芯片(SOC)通過(guò)其通信網(wǎng)絡(luò )以及內部或外部存儲器獲取輸入數據，并輸出至TFT顯示屏。數字式儀表群采用的系統架構同很多消費級高性能顯示平臺類(lèi)似。

汽車(chē)和消費級顯示平臺都需要大容量存儲器來(lái)支持各自龐大的數字內容;如今的汽車(chē)設計之中，3D圖形內容、32位色彩、高分辨率和大顯示屏的出現導致存儲密度必須達到2Gb。

為創(chuàng )建內容豐富的顯示系統，該內容通常包括大字符集、多種字體、圖形影像以及多語(yǔ)言擴展支持。數字式儀表群幀緩沖會(huì )依照行業(yè)標準技術(shù)生成并顯示。SOC顯示控制器會(huì )在系統顯示屏上渲染某一幀，同時(shí)SOC/圖形引擎會(huì )訪(fǎng)問(wèn)內部或外部存儲器，獲取、處理、保存幀緩沖中的下一組數據，以供后續顯示之用。當今的SOC需要以高帶寬訪(fǎng)問(wèn)駐留在外部存儲器中的可靠代碼和數據，從而確?？焖傧到y啟動(dòng)和高速實(shí)時(shí)處理。

數字式儀表群架構和存儲器子系統的取舍

圖2 標準代碼映射存儲器架構

存儲器架構和設計實(shí)施會(huì )影響嵌入式系統的性能等級和可靠性。我們會(huì )評測若干種存儲器架構，以便闡述采用當前技術(shù)可以實(shí)現的某些性能/成本取舍。首先，圖2簡(jiǎn)單概括了標準代碼映射存儲器架構，高性能嵌入式顯示系統通常都采用這一架構。

系統控制器或通用處理單元(GPU)的集成度很高，囊括了圖形引擎、顯示控制器，不僅提供限定容量的RAM和閃存存儲器選擇，同時(shí)依然提供外部存儲器接口，從而滿(mǎn)足數字儀表群對于高性能和高密度存儲器的需求。

外部存儲器分為兩種標準產(chǎn)品：DRAM和閃存。嵌入式系統的啟動(dòng)主要分為3個(gè)步驟：首先是代碼/數據從閃存映射到DRAM，然后處理器、DRAM和其他關(guān)鍵部件進(jìn)行初始化，最后是執行應用程序。一旦開(kāi)始執行代碼，即會(huì )顯示有用的信息。這種架構擁有若干關(guān)鍵特性。

SOC/DRAM的高速訪(fǎng)問(wèn)能力可以提升實(shí)時(shí)處理功能的性能表現。系統初始啟動(dòng)時(shí)間主要取決于映射和初始化的時(shí)間，而映射時(shí)間則取決于SOC/Flash訪(fǎng)問(wèn)帶寬以及從閃存傳輸至DRAM的數據密度。

如前所述，高端數字式儀表群必須在車(chē)輛發(fā)動(dòng)之后能以接近即時(shí)的形式提供當前的車(chē)輛狀態(tài)。檔位信息(即P、R、D、1、2、3)通常需在一秒之內顯示在TFT屏幕上。這就要求閃存支持高速訪(fǎng)問(wèn)、超高存儲密度和長(cháng)期數據完整，以滿(mǎn)足基本設計和質(zhì)量需求，同時(shí)要求確定采購責任，確保產(chǎn)品長(cháng)期供貨穩定。

目前，閃存供應商可提供多種非易失存儲器(NVM)技術(shù)，其中應用最廣的兩種技術(shù)就是NOR和NAND閃存。兩者在各方面具有不同的性能特點(diǎn)，例如：訪(fǎng)問(wèn)能力、可靠程度、產(chǎn)品生命周期和成本。汽車(chē)SOC通常支持多種接口配置，以訪(fǎng)問(wèn)外部并行和串行NOR閃存，而NAND閃存接口正逐漸得到越來(lái)越廣泛的支持。

請注意，SOC NAND接口的某個(gè)動(dòng)態(tài)變量決定了所需的ECC支持級別，尤其是考慮到NAND正快速過(guò)渡到光刻技術(shù)。NOR方面，頁(yè)模式和同步NOR閃存將繼續滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的嚴苛要求。例如，雪佛蘭Volt的E-Flex儀表群等新型高端數字式儀表群設計采用飛思卡爾(Freescale)的MPC5121e型SOC和Spansion的S29GL512N閃存。Spansion GL頁(yè)讀取訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)支持高速讀取訪(fǎng)問(wèn)，其數據吞吐速率高達80MB/s，完全可以滿(mǎn)足Volt E-Flex儀表群的需求，確保其在汽車(chē)啟動(dòng)之后的一秒鐘之內顯示變速箱擋位(即P、R、D、1、2、3)。

汽車(chē)芯片組和閃存供應商的不斷創(chuàng )新催生出極具成本效益的全新混合數字式儀表群架構(如圖3所示)。系統控制器(Freescale Spectrum)和閃存(Spansion Multi I/O SPI)可以?xún)?yōu)化TFT顯示架構，提供更具成本效益的入門(mén)級儀表群解決方案。

系統控制器通過(guò)嵌入式閃存執行代碼，同時(shí)利用高帶寬多I/O SPI協(xié)議加載來(lái)自外部閃存的圖形數據。圖形數據在內部幀緩沖區進(jìn)行處理并保存，然后直接顯示到TFT屏幕上。這種大膽創(chuàng )新的混合架構無(wú)需外部DRAM存儲器，不僅能夠滿(mǎn)足系統的性能和可靠性需求，同時(shí)可以?xún)?yōu)化成本。

圖3 混合存儲器架構

請注意，這種應用程序架構需要數以?xún)|計的讀取周期，因而會(huì )影響NAND這類(lèi)技術(shù)的可用性。目前，NAND設備用于具有中、高讀取周期的應用時(shí)，會(huì )出現更多的位干擾錯誤。

新型多I/O SPI通信協(xié)議可用于系統控制器和外部SPI閃存之間的數據傳輸。多I/O SPI基于流行的串行外圍接口(SPI)，其訪(fǎng)問(wèn)性能經(jīng)配置可支持1?4個(gè)數據連接。這項功能可將SPI的訪(fǎng)問(wèn)能力從之前的不到10Mb/s提升至40Mb/s左右。

Freescale和Spansion等汽車(chē)芯片組和閃存供應商能夠提供各種標準產(chǎn)品，保證設計師充分利用多I/O SPI經(jīng)過(guò)改進(jìn)的訪(fǎng)問(wèn)帶寬，從而實(shí)現更好地控制成本，同時(shí)打造出性能出色的數字式儀表群。某些情況下，可使用兩個(gè)四路I/O SPI，支持高達80 MB/s的連續吞吐速率。

Spansion的多I/O SPI FL閃存系列依然支持低引腳數串行接口，而且支持更高的讀取帶寬，堪比目前的多引腳數閃存設備。Spansion SPI FL系列同樣可以滿(mǎn)足中高存儲密度和長(cháng)期數據完整的要求，能夠在高達105℃的工作環(huán)境中保持正常運行，同時(shí)符合AEC-Q100標準。