Andes D1088 在汽車(chē)ADAS之應用

　　高級駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems;ADAS)為現今IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，是將來(lái)可以達到無(wú)人駕駛智能車(chē)輛的技術(shù)高級過(guò)程。ADAS的主要功能并不是控制汽車(chē)，而是為駕駛人提供車(chē)內的工作情況與車(chē)外環(huán)境變化等相關(guān)信息進(jìn)行分析，預先警告可能的危險狀況，讓駕駛人提早采取應對措施，避免交通意外發(fā)生。晶心科技的產(chǎn)品 D1088具備數字信號處理器(digital signal processor，DSP)指令，除了一般CPU指令外還多了SIMD instructions來(lái)加速ADAS算法的計算，增加ADAS產(chǎn)品的性能，也因此獲得客戶(hù)的認同使用晶心科技D1088開(kāi)發(fā)ADAS產(chǎn)品。使用D1088開(kāi)發(fā)的ADAS產(chǎn)品包括盲點(diǎn)偵測(Blind-Spot Detection, BSD)，前車(chē)碰撞警示(Forward-Collision Warning, FCW)，車(chē)道偏移警示(Lane-Departure Warning, LDW)，運動(dòng)目標偵測(Motion-Object Detection, MOD)，倒車(chē)碰撞警示(Rear-Collision Warning, RCW)，行人碰撞警示(Pedestrian-Collision Warning, PCW)及行車(chē)紀錄器。

　　車(chē)用電子須通過(guò)AEC-Q100(Automotive Electronics Council - Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Integrated Circuits)的認證，要求有別于一般消費性電子產(chǎn)品，本文的目的除了告訴我們的客戶(hù)(IC設計業(yè)者)D1088的優(yōu)勢，也與我們的客戶(hù)一起探討車(chē)用電子與消費性電子產(chǎn)品間的差異。希望在車(chē)用電子領(lǐng)域，晶心科技與我們的客戶(hù)攜手同行從今日開(kāi)發(fā)ADAS芯片到未來(lái)的無(wú)人車(chē)自動(dòng)駕駛。

　　1. D1088應用于A(yíng)DAS的優(yōu)勢

　　生活環(huán)境中都是模擬信號，聲音是模擬信號，圖像是模擬新號，汽車(chē)碰撞的壓力值還是模擬信號，汽車(chē)在行進(jìn)中，傳感器將量測數值傳送進(jìn)ADAS控制器，經(jīng)過(guò)ADC轉換后得到數字訊號﹐車(chē)內外環(huán)境中充滿(mǎn)了干擾與噪聲，濾波器可以濾掉噪聲與干擾，大大提升訊號正確性與可靠度，還原事物的原貌。文中以數字濾波器 FIR (Finite Impulse Response)為例，比較使用一般CPU指令與D1088提供的DSP指令在運算FIR時(shí)的差異，說(shuō)明D1088的優(yōu)勢與特性。

　　1.1 使用Fir_q15 函數驗證

　　以ADAS 中車(chē)道偏移警示系統會(huì )用到的FIR 數字濾波器，使用Fir_q15[1] 函數C語(yǔ)言實(shí)作如下所示:

　　void nds32_fir_q15(const nds32_fir_q15_t *instance,q15_t *src, q15_t *dst, uint32_t size)

　　此FIR 數字濾波器函數，其中函數的輸入參數:*instance此是指向FIR 結構體的指針，數字濾波器參數特性定義在此。輸入*src 與輸出*dst是以Q15的數據格式來(lái)表征，size 是此函數一次處理的抽樣個(gè)數，本實(shí)驗的抽樣個(gè)數是1024。

　　在使用此函數時(shí)，設計兩種定義，一種是全部使用Andes baseline 指令，另一種使用DSP指令，D1088除了具備一般CPU功能外，增加超過(guò)130 條DSP 相關(guān)指令。在此函數中除了運用DSP 矩陣指令外也使用了DSP中的saturation 運算，當數字信號運算后產(chǎn)生overflow或underflow時(shí)，沒(méi)有使用saturation 運算會(huì )產(chǎn)生錯誤且離譜的結果，Andes saturation指令可以大大提升效能。

　　在Fir_q15函數在D1088上做驗證函數的抽樣個(gè)數為1024，在全部使用baseline 指令運算所得的cycle數除以取樣數目1024得到每一個(gè)DSP信號所需要的cycle數是210，如果使用DSP指令，處理每一筆DSP信號只需要的是41 cycles。從Fir_q15 函數運算結果得知DSP 指令對比 baseline指令運算性能提升5.12倍。

　　1.2 DSP Benchmark 數值

　　下圖[2]是依各類(lèi)測試基準得到D1088與 Baseline CPU的benchmark 數據，總體benchmark的平均值D1088/N1068有64%的性能提升:

　　圖1. DSP Library 性能圖

　　2. 車(chē)用電子產(chǎn)品需要通過(guò)的認證

　　近幾年隨著(zhù)汽車(chē)市場(chǎng)逐步走向車(chē)聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，需要更多駕駛信息輔助整合系統，也讓IC設計業(yè)者找到一個(gè)好的發(fā)展方向與新的產(chǎn)品市場(chǎng)。很明顯，車(chē)用電子要求有別于一般消費性產(chǎn)品，分別在產(chǎn)品的壽命，溫度的范圍，可靠度等級與安全性的要求等皆遠高于消費性電子產(chǎn)品，車(chē)用電子需要經(jīng)過(guò)ISO 26262與AEC-Q100認證。晶心科技是CPU IP 的供貨商，提供CPU IP給IC設計業(yè)者。從AEC-Q100的驗證流程中，了解IC設計業(yè)在車(chē)用電子所在的角色，也可以得知CPU與IC設計業(yè)者在車(chē)用電子中的位置與關(guān)系。

　　2.1 車(chē)用IC規范AEC-Q100驗證流程

　　圖2為AEC-Q100規范中的驗證流程[3]，此圖是以Die Design→Wafer Fab.→PKG Assembly→Testing的制造流程來(lái)繪制，各模塊的關(guān)聯(lián)性須要參考圖中的箭頭符號，本文重點(diǎn)著(zhù)重在IC設計業(yè)者(Design House)，所以?xún)H標示AEC-Q100中Design House與 Design Verification 相關(guān)測試項目。

　　圖2. AEC-Q100驗證流程

　　2.2 IC設計業(yè)者進(jìn)行AEC-Q100驗證

　　在A(yíng)EC-Q100建議中，IC設計業(yè)者需要依據IC芯片在汽車(chē)中使用位置區分為引擎區與乘坐區兩部份，其基本工作環(huán)境要求不同，故對于測試溫度，可靠度，安全性的建議規格也不同。由于IC芯片種類(lèi)繁多，因此在試驗條件上，AEC-Q100已進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)，亦即依照屬性設定建議的試驗條件，當IC芯片設計測試規范訂定后依據圖2 AEC-Q100驗證流程圖，IC設計業(yè)者需完成紅框的驗證項目，當Wafer Foundry也通過(guò)需做測項后，AEC-Q100驗證項目都完成后，就可說(shuō)此IC芯片完成AEC-Q100的驗證。

　　3. 車(chē)用電子產(chǎn)品需要通過(guò)的認證

　　除了ADAS本身須具備的功能需通過(guò)AEC-Q100認證外，也需有額外設計才能符合在汽車(chē)的應用環(huán)境下的需求，下列幾個(gè)舉例說(shuō)明在車(chē)用ADAS中增加的設計，有別于一般消費性電子產(chǎn)品。

　　3.1 CRC checksum 安全驗證

　　在車(chē)用ADAS設計實(shí)例中，考慮到汽車(chē)環(huán)境中干擾嚴重且需要高可靠度。ADAS程序在刻錄進(jìn)ADAS 產(chǎn)品的NOR-Flash時(shí)，將欲刻錄程序經(jīng)由CRC32-CCIR演算后得到32bits結果一并寫(xiě)在NOR-Flash上。在車(chē)上當ADAS產(chǎn)品開(kāi)機后，NOR-Flash 上的程序搬到RAM后，在RAM的程序也一樣經(jīng)過(guò)CRC32-CCIR演算后得到的結果與程序后面32bit checksum演算結果做比對，如果RAM端與NOR-Flash數值一致表示通過(guò)CRC checksum 安全驗證，如果數值不一致代表RAM上的程序在過(guò)程中被干擾須采取對應的措施。增加CRC checksum 安全驗證可以知道車(chē)用ADAS對安全與可靠度要求遠高于一般消費性電子產(chǎn)品。

　　3.2 程序啟動(dòng)前先行驗證 CPU 周邊

　　有別于一般消費性產(chǎn)品，車(chē)用電子產(chǎn)品在程序啟動(dòng)前需驗證CPU周邊device本身之正確性，以ADAS實(shí)例來(lái)說(shuō)明需要驗證cache與RAM。在A(yíng)DAS程序執行前，提供晶心科技自定義指令集CCTL (Cache Control)指令做cache的驗證。將CCTL指令以intrinsic 函數方式(如下所示)[4]提供給客戶(hù)使用:

　　Unsigned int __nds32__cctlidx_read (const enum nds32_cctl_idxread subtype, unsigned int idx)

　　void __nds32__cctlidx_write (const enum nds32_cctl_idxwrite subtype, unsigned int b, unsigned int idxw)

　　開(kāi)發(fā)ADAS客戶(hù)使用晶心科技提供__nds32__cctlidx_write 函數寫(xiě)入 再用__nds32__cctlidx_read 函數讀出來(lái)驗證整個(gè)cache device。

　　RAM在使用前也需要做RAM device的驗證，進(jìn)行RAM device 驗證需要驗證程序結合RAM 測試pattern。晶心科技使用程序編寫(xiě)的技巧提供ADAS開(kāi)發(fā)業(yè)者不需要用到RAM的驗證程序結合ADAS開(kāi)發(fā)業(yè)者使用March C Algorithm做為的RAM device的驗證pattern。

　　在A(yíng)DAS開(kāi)機時(shí)使用March C Algorithm 來(lái)做RAM的BIST好處是快速，產(chǎn)品開(kāi)機時(shí)所需的等待時(shí)間對于車(chē)用產(chǎn)品極為重要，也是車(chē)用產(chǎn)品優(yōu)劣的重要評判準則，March C Algorithm 除了簡(jiǎn)單快速外，還有fault coverage 高的特性。受到廣泛的應用，將March C Algorithm 的pseudo code 詳列如下[5]:

　　//for writing 0s in block 1 and writing 1s in block 2, let n and m are rows and columns

　　for(i=0;i<(n-1)/2;i=i+1)

　　begin

　　for(j=0;j<(m-1);j=j+1)

　　mem[i][j]=0; //write 0 in m1

　　end

　　for(i=(n-1)/2;i<(n-1);i=i+1)

　　begin

　　for(j=0;j<(m-1);j=j+1)

　　mem[i][j]=1; //write 1 in m2

　　end

　　//for reading background and for writing alternate

　　for(i=0;i<(n-1)/2;i=i+1)

　　begin

　　for(j=0;j<(m-1);j=j+1)

　　begin

　　if(mem[i][j]==0)

　　mem[i][j]=1;

　　else return;

　　end

　　end

　　for(i=(n-1)/2;i<(n-1);i=i+1)

　　begin

　　for(j=0;j<(m-1);j=j+1)

　　begin

　　if(mem[i][j]==1)

　　mem[i][j]=0;

　　else return;

　　end

　　end

　　4. 結語(yǔ)

　　D1088具DSP指令適合應用在高級駕駛輔助系統。晶心科技提供高性能符合車(chē)用的CPU給IC設計業(yè)者，在IC設計業(yè)者開(kāi)發(fā)車(chē)用ADAS產(chǎn)品時(shí)，晶心科技提供適當的支持協(xié)助IC設計業(yè)者開(kāi)發(fā)具競爭力且符合車(chē)規的ADAS芯片與系統，衷心感謝偉詮公司顧朝奇博士與陳文慶先生的協(xié)助，才能完成此技術(shù)文章。

　　電子產(chǎn)業(yè)各項領(lǐng)域中，不論是MCU，觸控，IoT與本文探討之車(chē)用ADAS，晶心科技都已取得不錯的成績(jì)，也期望在未來(lái)趨勢ADAS與車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中晶心科技與我們的客戶(hù)IC設計業(yè)者緊密的合作，開(kāi)發(fā)出具競爭力的芯片與系統，達到雙贏(yíng)的目的。

　　參考文件

　　[1] Andes Fir_q15 Program “nds32_fir_q15.c”

　　[2] Andes Company Profile July 2016 page 28

　　[3] 新通訊 2016 年 4 月號 182 期《 技術(shù)前瞻 》

　　[4] Andes Programming Guide for ISA-V3 page 104

　　[5] Muddapu Parvathi , N. Vasantha, K. Satya Parasad, “Modified March C - Algorithm for Embedded Memory Testing” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol. 2, No.5, October 2012, pp. 571~576  ISSN: 2088-8708