基于FPGA的汽車(chē)ECU設計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準

　　汽車(chē)產(chǎn)業(yè)利用可重配置硬件技術(shù)，可靈活地綜合車(chē)載功能。

　　當今的汽車(chē)制造商正在把越來(lái)越多的高級功能添加到汽車(chē)電子控制單元 (ECU)中，以改善駕駛體驗，增強安全性，當然還期望超過(guò)同類(lèi)競爭產(chǎn)品的銷(xiāo)量。在這種情況下，汽車(chē)開(kāi)放系統架構 (AUTOSAR) 計劃和功能安全國際標準 ISO26262 正在快速成為汽車(chē) ECU 設計的技術(shù)和架構基礎。

　　為了滿(mǎn)足新車(chē)型日益提高的功能需求，汽車(chē)電子產(chǎn)品的密度不斷增大，FPGA 廠(chǎng)商也正在不斷推出更大型的器件。這些器件能夠集成所有的應用，而且與前代器件相比，功耗更低，價(jià)格更具競爭力。這種趨勢意味著(zhù)可重配置計算技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將會(huì )得到進(jìn)一步推廣和應用。

　　我們推出了一種具有開(kāi)創(chuàng )性的方法，即使用可編程 FPGA 器件而非基于 MCU 的平臺作為 ECU 的基礎，設計出一款能夠同時(shí)滿(mǎn)足 AUTOSAR 和 ISO 26262 標準的汽車(chē) ECU。我們的設計方法對可重配置硬件的關(guān)鍵特性，比如并行性、可定制性、靈活性、冗余性和多功能性進(jìn)行了充分的探索。在概念設計完成后，我們希望在原型中實(shí)現設計。為此，賽靈思 Zynq™-7000 可擴展處理平臺成為了理想選擇。該款 FPGA平臺將 ARM^® 雙核 Cortex™-A9 MPCore 硬處理器和具備動(dòng)態(tài)部分可重配置功能的 28 nm 賽靈思 7 系列可編程邏輯器件完美結合在一起，不但可充分滿(mǎn)足所需要求，而且還配備有 CAN 和以太網(wǎng)等車(chē)載網(wǎng)絡(luò )常用的片上通信控制器。

　　新興應用

　　目前汽車(chē)計算能力借助通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )互連的ECU來(lái)分配。在未來(lái)幾年內，由于機動(dòng)車(chē)輛中新應用的興起，這樣的計算能力有望進(jìn)一步提高。這些新應用包括安全和駕駛員輔助功能、車(chē)輛間通信功能、舒適性和控制功能、車(chē)載娛樂(lè )功能以及為數眾多的混合動(dòng)力電動(dòng)技術(shù)。毫無(wú)疑義，車(chē)輛電子設備的數量預計還會(huì )增加。根據分析人員的預測，汽車(chē)應用半導體市場(chǎng)的規模將在未來(lái)五年內以 8% 的年均復合增長(cháng)率 (CAGR) 增長(cháng)。其中增長(cháng)最快的細分市場(chǎng)之一涉及到微控制器 (MCU) 和可編程邏輯器件，比如現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)。

　　在車(chē)載功能的數量和先進(jìn)性與日俱增的同時(shí)，設計和管理這些系統變得日趨復雜，汽車(chē)制造商認為有必要采取有效方式來(lái)解決這一難題。其結果就是當今 AUTOSAR 和 ISO 26262 兩大標準都在影響著(zhù)實(shí)際汽車(chē) ECU 軟硬件系統的架構、設計和部署方式(見(jiàn)側邊欄)。

　　2003 年由多家汽車(chē)制造商共同制定的 AUTOSAR 標準旨在為分布于車(chē)輛中的 ECU 定義標準的系統軟件架構。而 ISO 26262 標準的目的則以功能安全性為中心，實(shí)質(zhì)上是以避免或檢測并處理故障為目的，從而減輕故障影響并防止出現對任何既有的系統安全目標的違反行為。隨著(zhù)全新的安全關(guān)鍵功能(比如駕駛員輔助或動(dòng)態(tài)控制)的推出，功能安全性已經(jīng)成為汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。ISO 26262 標準于 2011 年批準生效，可為軟硬件的安全開(kāi)發(fā)提供支持。

　　因此，整個(gè)ECU 的設計和開(kāi)發(fā)流程由需要系統性進(jìn)程的標準進(jìn)行管理。我們的工作就是設計一款高性?xún)r(jià)比嵌入式計算平臺，采用可重配置硬件技術(shù)實(shí)現優(yōu)化的系統架構。

　　系統架構

　　AUTOSAR 和 ISO 26262 標準主要從軟件開(kāi)發(fā)的角度著(zhù)眼，面向的是基于微控制器單元的計算平臺。但是，硬件/軟件聯(lián)合設計和可重配置計算技術(shù)的應用可為這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)眾多優(yōu)勢。雖然標準的 MCU 往往是汽車(chē) ECU 硬件平臺的最佳選擇，但隨著(zhù)新型 FPGA成本的不斷降低，加上部分 FPGA 產(chǎn)品內部集成有硬核處理器，使得 FPGA 器件也成為這個(gè)市場(chǎng)中值得廣泛應用的理想解決方案。此外，汽車(chē)中不斷集成新的嵌入式功能的趨勢也提出了對并行計算架構的需求。這在當今的車(chē)載信息娛樂(lè )領(lǐng)域尤為明顯，在這種領(lǐng)域中高速數字信號處理正在敞開(kāi)大門(mén)迎接 FPGA 技術(shù)。像賽靈思這樣的可編程邏輯供應商和像 MathWorks 這樣的 EDA 工具廠(chǎng)商已對這個(gè)領(lǐng)域表現出明顯的興趣。

　　為了在汽車(chē)應用中發(fā)揮可重配置硬件的全部?jì)?yōu)勢，我們將以關(guān)于部署最終用戶(hù)功能的汽車(chē)計算網(wǎng)絡(luò )中最為重要的 ECU 之一——“車(chē)身控制器模塊”為重點(diǎn)，通過(guò)使用案例展現這種技術(shù)的潛力。該ECU也稱(chēng)為“車(chē)身域控制器”，負責綜合和控制車(chē)輛中主要的電子車(chē)身功能，比如擋風(fēng)玻璃雨刷/噴水系統、車(chē)燈、搖窗器、引擎點(diǎn)火/熄火、車(chē)外后視鏡和中控鎖。我們的目標是在FPGA平臺上設計出一款配備有安全關(guān)鍵功能且符合 AUTOSAR 的 ECU 系統。

　　實(shí)際情景

　　如果汽車(chē)制造商要想經(jīng)濟高效地管理日益復雜的車(chē)輛功能，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系統架構的標準化則是必由之路。它能夠實(shí)現分布在 ECU 中的各項功能的高度集成和軟件組件的重復使用。AUTOSAR 的主要目的是定義一個(gè)統一的 ECU 架構，讓硬件與軟件分離。這樣 AUTOSAR 通過(guò)定義硬件無(wú)關(guān)的接口，可提高軟件的重復使用。換句話(huà)說(shuō)，如果按照 AUTOSAR 標準編寫(xiě)的軟件組件，只要正確集成到符合 AUTOSAR 標準的運行環(huán)境中，就能夠在任何廠(chǎng)商的微控制器上運行。

　　這項功能給汽車(chē)制造商帶來(lái)了更高的靈活性。由于 AUTOSAR 標準內在的即插即用特性，汽車(chē)制造商可以在整個(gè)汽車(chē)平臺上以透明的方式更換不同供應商開(kāi)發(fā)的相同軟件模塊的各個(gè)版本，且不會(huì )給汽車(chē)中其余功能的發(fā)揮造成負面效果。最終硬件和軟件實(shí)現彼此高度獨立。這種分離是通過(guò)標準軟件的 API 將抽象層互聯(lián)實(shí)現的。圖 1 是 AUTOSAR 定義的功能層的分解圖。

圖1 從 MCU 到應用層的 AUTOSAR 分層模型

　　底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由 MCU 自身(即 CPU 和與其相連的部分標準外設)構成。微控制器之上是基礎軟件(BSW)，分為三層：粉色的微控制器抽象層 (MCAL)、綠色的 ECU 抽象層 (ECUAL) 和復雜驅動(dòng)程序、紫色的服務(wù)層(SRV)。這三層經(jīng)組織形成了多個(gè)列或協(xié)議棧(存儲器、通信、輸入/輸出等)。

　　緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是 MCU 的抽象。該層的目的是提供一個(gè)硬件獨立的 API，負責處理微控制器中的硬件外設。微控制器抽象層的上一層是 ECU 抽象層，負責抽象 ECU 開(kāi)發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸(例如，系統電壓調節器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等)。接下來(lái)的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨立性，其作用是處理所需的不同類(lèi)型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統看門(mén)狗的 NVRAM 處理或管理。通過(guò)這三層，AUTOSAR 定義了一套基礎軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺下支持著(zhù)汽車(chē) ECU 各高級抽象層的所有功能。

　　第四層是運行環(huán)境 (RTE)，為應用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的 BSW 層和應用層 (APP)共同訪(fǎng)問(wèn)的一套信號(發(fā)送器/接收器端口)和服務(wù)(客戶(hù)端和服務(wù)器端口)構成。該 RTE 從基礎軟件中抽象出應用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼 (APP))與特定的硬件相關(guān)代碼 (BSW) 分離的軟件協(xié)議棧架構。換句話(huà)說(shuō)，RTE可將軟件應用與硬件平臺分離。因此運行在 RTE 上的所有軟件模塊都具有平臺無(wú)關(guān)性。