如何進(jìn)行汽車(chē)電子系統中的處理器選擇

    汽車(chē)正經(jīng)歷著(zhù)一場(chǎng)數字革命的洗禮：純機械系統和模擬電子的時(shí)代一去不復返?，F今的汽車(chē)是數字化的汽車(chē)，內置了幾十甚至上百個(gè)嵌入式處理器，它們通過(guò)數字網(wǎng)路相互連接，以控制和優(yōu)化汽車(chē)內幾乎每一個(gè)系統的運轉。將來(lái)的汽車(chē)會(huì )集成更多的處理器，因為先進(jìn)的應用和性能要求更為復雜的信號處理算法，包括安全、引擎和尾氣排放控制、駕駛者與汽車(chē)的交互界面，以及車(chē)內信息和娛樂(lè )系統等。  

　　汽車(chē)市場(chǎng)要求處理器供應商做出長(cháng)期的承諾。例如，汽車(chē)制造商有時(shí)要求其供應商對某一處理器產(chǎn)品提供長(cháng)達10~15年的供應承諾。下面我們將探討針對汽車(chē)數字信號處理應用的各種處理器類(lèi)型，以及各個(gè)類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，我們還將分析汽車(chē)應用的特殊要求對面向汽車(chē)市場(chǎng)的處理器的影響。             

　　 汽車(chē)應用中處理器的選擇  

　　汽車(chē)系統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(chē)認證資格、片上集成度、性能、價(jià)格和節能等。軟件開(kāi)發(fā)工具的質(zhì)量及軟件組件的可用性也會(huì )影響到處理器的選擇。處理器供應商對其產(chǎn)品的承諾以及將來(lái)的發(fā)展規劃等也是重要的考慮因素。  

　　由于關(guān)系到生命安全，汽車(chē)引擎、氣囊控制和剎車(chē)系統等關(guān)鍵的汽車(chē)安全系統對處理器有十分嚴格的可靠性和耐用性要求。因此，汽車(chē)安全系統應用對處理器供應商來(lái)說(shuō)是最嚴峻的考驗。這些應用要求處理器獲得汽車(chē)認證資格，而且這類(lèi)處理器都需要專(zhuān)門(mén)的設計、制造、封裝和測試方法。  

　　有許多非關(guān)鍵信號處理汽車(chē)系統也需要大量的處理器，比如車(chē)內導航和娛樂(lè )設備。盡管汽車(chē)整車(chē)制造商和汽車(chē)電子系統供應商對這類(lèi)應用也要求高質(zhì)量的組件，但要求畢竟沒(méi)有關(guān)鍵性安全應用那么高。例如，用于車(chē)內系統的處理器一般不要求獲得汽車(chē)認證資格。  

　　現在，對性能要求最高的汽車(chē)信號處理應用是車(chē)內導航和娛樂(lè )系統。再過(guò)幾年這一情形可能有所改變，因為新的安全系統開(kāi)始采用視頻和雷達處理，而且引擎和剎車(chē)控制系統將采用基于模型的復雜計算方法，目前流行的查找表參考方法也將被復雜的實(shí)時(shí)運算方法所替代。  

　　在處理器上集成適當的外設、存儲器和I/O接口有助于提高性能和穩定性，以及降低功耗和系統成本。汽車(chē)應用的片上集成要求與其它信號處理應用有很大的區別。因此，面向汽車(chē)應用市場(chǎng)的供應商必須針對這些應用的特殊要求而專(zhuān)門(mén)設計其處理器。多通道模數轉換器對面向汽車(chē)控制系統的處理器特別有用。例如，一個(gè)引擎控制系統一般要接收來(lái)自數十個(gè)模擬傳感器的輸入信號。  

       附表：處理器類(lèi)型、代表性供應商及處理器樣品 



　　對面向汽車(chē)控制系統的處理器來(lái)說(shuō)，片上閃存是一個(gè)關(guān)鍵特性，因為這些系統要使用很大的查找表，有時(shí)需要現場(chǎng)更新。如引擎控制系統所用的查找表就包含來(lái)自各種控制組件(比如加油器和點(diǎn)火線(xiàn)圈)的數萬(wàn)個(gè)校準點(diǎn)(或類(lèi)似輸出值)。校準點(diǎn)數據一般是在汽車(chē)出廠(chǎng)前在實(shí)驗室確定的，但汽車(chē)使用一段時(shí)間后某些校準點(diǎn)可能需要調整。片上閃存就可以利用從汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商處下載的數據現場(chǎng)更新校準點(diǎn)或控制算法的其它參數。  

　　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性能的提高和成本的降低。雖然集成的片上閃存對系統開(kāi)發(fā)商很有價(jià)值，但處理器供應商要實(shí)現它卻非易事。經(jīng)汽車(chē)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(chǎng)上競爭的處理器供應商往往需要投入大量的資源以開(kāi)發(fā)可在汽車(chē)系統上穩定工作的閃存技術(shù)。  

　　數字網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器有助于分布式系統中處理器間的通信。有各種各樣的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議針對不同的汽車(chē)系統。面向特定汽車(chē)應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 )。而面向媒體的系統傳輸(MOST)協(xié)議則針對車(chē)內信息娛樂(lè )應用，如音頻、視頻、導航及通信等。  

　　對于面向關(guān)鍵應用的處理器，先進(jìn)的片上調試追蹤單元也十分有用。這種追蹤功能可為系統開(kāi)發(fā)者提供詳細的處理器、軟件和操作系統狀態(tài)信息，這些信息對驗證和調試特別有用。針對全球嵌入式處理器調試接口的Nexus 5001論壇標準定義了軟件與片上調試硬件的接口。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，現已更新到IEEE-ISTO 5001-2003。該標準的開(kāi)發(fā)者希望它能夠鼓勵開(kāi)發(fā)工具供應商將片上調試追蹤單元添加進(jìn)來(lái)，或加強對它的支持。  

        車(chē)內信息和娛樂(lè )系統是當前汽車(chē)應用中對計算性能要求最高的信號處理系統，主要是因為這些系統涉及到視頻處理等需要強大信號處理功能的應用。一個(gè)高檔信息娛樂(lè )系統可能包括多通道音頻系統、DVD播放器、GPS導航系統，以及免提移動(dòng)電話(huà)，所有這些都集成進(jìn)一個(gè)系統內。針對車(chē)內信息娛樂(lè )系統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(shí)鐘速率范圍內。  

　　相反地，針對引擎和剎車(chē)控制等關(guān)鍵控制系統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(mǎn)足高溫等惡劣工作環(huán)境的要求，而且控制應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(shí)鐘速度(40至150 MHz)和較大的制造工藝是這類(lèi)應用的最佳選擇。然而，這類(lèi)應用對處理性能的要求也在不斷提高，處理器供應商必須調整策略，以便在滿(mǎn)足高溫要求的同時(shí)獲得更高的性能。  

　　汽車(chē)應用對價(jià)格特別敏感。處理器供應商不得不開(kāi)發(fā)高集成度的專(zhuān)用處理器以降低系統成本。雖然汽車(chē)應用對價(jià)格比較敏感，但汽車(chē)資格認證過(guò)程卻代價(jià)不菲，而且這些成本會(huì )增加芯片成本。結果，經(jīng)過(guò)汽車(chē)資格認證的處理器一般要比非認證的同類(lèi)產(chǎn)品貴。在汽車(chē)信號處理系統中，高效節能一般不是主要問(wèn)題。只有在引擎運轉和電池充電系統啟動(dòng)的時(shí)候，引擎、底盤(pán)和剎車(chē)控制等系統才處于工作狀態(tài)。  

　　盡管如此，高效節能在某些應用中也很重要。有些系統在引擎關(guān)閉時(shí)處于工作狀態(tài)，它們的功耗必須很低以便電池耗能不會(huì )影響引擎啟動(dòng)。例如，車(chē)內信息娛樂(lè )設備就是這類(lèi)應用之一。還有些系統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(lèi)系統的封裝可能會(huì )影響散熱，因此功耗不能太大。  

　　針對汽車(chē)應用的信號處理器  

　　在當今的汽車(chē)系統中，有很多類(lèi)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中，8位和16位MCU現已不常被采用，因為它們的處理性能有限。為降低成本，系統開(kāi)發(fā)商往往選擇那些性能正好夠用的處理器。但對某些應用，預留一些性能空間是比較明智的，尤其是車(chē)內信息娛樂(lè )系統，更能從這一性能空間的靈活性中獲益，因為有些功能應用(如語(yǔ)音識別、導航及音頻控制)在選擇處理器時(shí)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(chē)信號處理控制系統。這一檔次的處理器一般采用RISC結構，所用指令簡(jiǎn)單、普通且幾乎無(wú)并行指令。GPP在強調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結構相比，GPP編譯代碼是相當有效的。流行的32位GPP結構(比如MIPS、ARM和PowerPC)已廣泛應用于汽車(chē)和非汽車(chē)應用系統。  

　　市場(chǎng)的廣泛認可所帶來(lái)的優(yōu)勢包括豐富的第三方軟件組件供應和強大的開(kāi)發(fā)工具支持。這一類(lèi)別的處理器包括德州儀器的TMS470系列(基于A(yíng)RM7內核)和飛思卡爾的MPC500系列(基于PowerPC內核)。這兩種處理器都在32位通用處理器內核上集成了汽車(chē)專(zhuān)用外設。飛思卡爾的MPC500系列處理器集成了外設、存儲器和專(zhuān)用I/O接口，主要針對引擎和變速控制應用，它帶有大容量的閃存、多個(gè)CAN接口、一個(gè)Nexus調試接口、多個(gè)ADC，以及多個(gè)先進(jìn)的定時(shí)模塊。  

　　DSP、DSP/GPP混合器件以及DSP增強型GPP一般用于車(chē)內信息娛樂(lè )系統及需要信號處理功能的控制系統。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(lái)，可大大加速數字信號處理算法，比同樣時(shí)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尤其重要。這類(lèi)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(chē)處理應用，因為它們一向以昂貴著(zhù)稱(chēng)。然而，最近幾年FPGA供應商推出了一系列低成本、高效率的器件，使得FPGA也成為汽車(chē)系統的可選方案。與傳統的固定結構處理器(比如DSP和GPP)不同，FPGA不受預先設定的指令集限制。相反，FPGA可為系統設計者提供極大的設計靈活性，以便開(kāi)發(fā)適于特定應用的處理結構。  

　　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構處理器還要快。但高性能是要付出代價(jià)的：基于FPGA的信號處理系統的開(kāi)發(fā)成本要比固定結構軟件開(kāi)發(fā)的成本高得多。雖然FPGA在汽車(chē)系統中的作用會(huì )逐漸擴大，但目前它主要用于車(chē)內信息娛樂(lè )系統的接口。當然，一旦FPGA進(jìn)入汽車(chē)系統，它就會(huì )有更多其它用途，有可能會(huì )替代其它系統組件的功能。  

例如，隨著(zhù)用FPGA實(shí)現“軟”處理器內核的出現，就像Altera的Nios II和賽靈思的MicroBlaze (二者都是32位RISC處理器內核)，微處理器可能會(huì )更多地采用FPGA實(shí)現，而不是單獨的芯片。這樣可節省成本，因為軟核可以定制(設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(shí)現與采用FPGA結構的專(zhuān)用硬件(比如特定算法加速器)的接口。  

　　數字信號處理器遍布汽車(chē)各個(gè)角落  

　　隨著(zhù)汽車(chē)應用的電動(dòng)和電控程度越來(lái)越高，數字信號處理將遍布汽車(chē)的各個(gè)角落。那些已經(jīng)采用數字信號處理的應用將會(huì )增加計算負荷，從而促使新一代高性能汽車(chē)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指令執行功能可進(jìn)一步提高其信號處理性能。  

　　數字信號處理在汽車(chē)領(lǐng)域的新應用既包括需要高信號處理性能的計算密集型應用(如車(chē)道跟蹤系統)，也包括僅需一般處理性能的應用(如胎壓監控系統－TPMS)。面向汽車(chē)信號處理應用的處理器具有很寬的性能范圍，而且將來(lái)更會(huì )趨于多樣化?；谝曨l的安全和信息娛樂(lè )系統等高端應用將需要更高的信號處理性能，而TPMS等低端應用則需要節能高效的處理性能。  

　　更多的處理器，更廣的性能范圍，這一趨勢何時(shí)是盡頭？也許要等到嵌入式處理器滲透到汽車(chē)系統的每一個(gè)角落。想象一下這一場(chǎng)景：除了集成進(jìn)每個(gè)輪胎的氣壓監控器外(新型汽車(chē)將會(huì )強制實(shí)施)，每個(gè)輪胎還內置一個(gè)處理器用于收集和轉發(fā)關(guān)于其狀態(tài)和性能的信息。例如，輪胎可能會(huì )自動(dòng)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付這種狀況?！?nbsp; 

　　你也許認為這有點(diǎn)太超前，但在汽車(chē)系統中采用更多的處理器將是不可逆轉的趨勢。鑒于半導體產(chǎn)品的成本不斷降低，以及智能汽車(chē)器件的潛在好處，可以預見(jiàn)有一天我們的汽車(chē)將配有智能輪胎。