多核嵌入式處理技術(shù)推動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展

        汽車(chē)行業(yè)已從嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展中大受裨益，有些車(chē)輛現在最多使用60個(gè)處理器。

        在利用更大功率的半導體、新型內存技術(shù)、更強的嵌入式處理器性能及定時(shí)控制功能解決大量電氣技術(shù)難題方面，半導體將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 
 
       過(guò)去的40年里，半導體行業(yè)在集成方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。去年正好是摩爾定律公布40周年。在大部分情況下，摩爾定律也適用于試圖通過(guò)技術(shù)在短期內實(shí)現迅速擴張的其他一些領(lǐng)域。2005年SIA年度報告中舉出的一個(gè)例子可以很好地說(shuō)明半導體行業(yè)的模式對日常生活的影響：“1978年，紐約到巴黎的商務(wù)航班需要7小時(shí)，機票價(jià)格為900美元。如果將摩爾定律用于航空業(yè)，現在機票的費用就只需要大約1便士，飛行時(shí)間不超過(guò)1s。”顯然，航空業(yè)是不愿意采用摩爾定律的，但許多其他行業(yè)卻試圖適用這一定律。
   
        汽車(chē)行業(yè)已從嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展中大受裨益，有些車(chē)輛現在最多使用60個(gè)處理器。對汽車(chē)新功能的需求在不斷增加，這反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步推動(dòng)了對更高的系統性能和可靠性的需求。引擎技術(shù)的發(fā)展和最終的“環(huán)保車(chē)輛”需要新的方法來(lái)解決當前面臨的大量技術(shù)難題。在利用更大功率的半導體、新型內存技術(shù)、更強的嵌入式處理器性能及定時(shí)控制功能解決大量電氣技術(shù)難題方面，半導體將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
     
        新型半導體技術(shù)將為解決汽車(chē)電子行業(yè)現有的技術(shù)難題創(chuàng )造新的機會(huì )。汽車(chē)行業(yè)現在使用的32位微控制器包含3000多萬(wàn)個(gè)晶體管，而且未來(lái)幾年內可能會(huì )迅速增加到6000多萬(wàn)個(gè)。隨著(zhù)未來(lái)幾年內系統集成度的不斷提高，要想在日益復雜的系統中充分利用半導體的全部功能，就需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)。半導體技術(shù)的進(jìn)步現已實(shí)現了10年前人們無(wú)法想象的新功能，一種新型的實(shí)時(shí)多核調試、校準和環(huán)路硬件接口正在滿(mǎn)足高級引擎動(dòng)力總成系統的特殊要求。
   
       過(guò)去30年中，有人曾試圖使用停缸技術(shù)（Cylinder deactivation）。隨著(zhù)燃油價(jià)格的上升和功能強大的嵌入式處理器的出現，汽車(chē)生產(chǎn)商和最終用戶(hù)都開(kāi)始用新的眼光看待停缸技術(shù)。嵌入式處理器被用來(lái)控制引擎定時(shí)，以在扭矩和動(dòng)力總成系統的燃油經(jīng)濟性之間達成平衡。
   
       從輕型車(chē)輛到重型卡車(chē)，各種動(dòng)力總成應用都將采用清潔環(huán)保的引擎。部分地區的政府法規將使引擎變得更加清潔環(huán)保。使用燃料直接噴入汽缸和微粒物捕集裝置來(lái)清除排氣裝置的方法將需要對噴油嘴和傳感器（檢測微粒物捕集裝置的狀態(tài)）進(jìn)行極為先進(jìn)的定時(shí)控制。
   
        要解決這些難題，需要新的方法來(lái)使工程設計小組采用上市時(shí)間更短、成本更低、可靠性更高且數量日益增加的新特性。在汽車(chē)市場(chǎng)，用于引擎管理的嵌入式控制有著(zhù)一套非常復雜的機電系統要求?？蛻?hù)期望和政府法規的變化正在推動(dòng)引擎管理的不斷變化。引擎技術(shù)向稀燃引擎、無(wú)凸輪引擎和電子混合車(chē)輛的發(fā)展將對未來(lái)車(chē)輛的動(dòng)力總成系統電子組件產(chǎn)生直接影響，無(wú)極變速將在未來(lái)的動(dòng)力總成系統中發(fā)揮重要作用，而新的微控制器技術(shù)和半導體解決方案將成為將新技術(shù)變?yōu)楝F實(shí)的主要動(dòng)力。
   
       圖1顯示了引擎管理的復雜性。該方框圖顯示了有多路輸入和多路輸出設備的常見(jiàn)引擎控制系統，這些輸入會(huì )根據對系統的影響生成不同級別的中斷和異常，輸出設備可以是脈寬調制（PWM）、通用輸入/輸出或定時(shí)輸入/輸出。

圖1 引擎控制系統框圖

       在調試和校準機電系統時(shí)，實(shí)時(shí)調試非常關(guān)鍵，因為機電系統通常不允許修改或中斷嵌入式處理器的性能以便開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行查詢(xún)?，F在的系統工程師可以利用更先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具的優(yōu)勢，這些改進(jìn)在幾年前甚至是不可想象的。
   
       為了解決如何在多個(gè)處理器核心類(lèi)型之間實(shí)時(shí)進(jìn)行數據和指令跟蹤的問(wèn)題，業(yè)內成立了IEEE-ISTO Nexus 5001 Consortium或Nexus Forum。Nexus Forum最早于1999年發(fā)布技術(shù)規范，并在2003年進(jìn)行了更新。
   
       Nexus 5001技術(shù)規范包括了一些標準功能，使用非入侵式調試技術(shù)對數據和指令設置斷裂點(diǎn)和觀(guān)察點(diǎn)。該技術(shù)規范將部署多種獨特功能來(lái)跟蹤最嚴重的軟件和硬件故障。其中的部分新功能包括：責任跟蹤信息處理、數據跟蹤、內存替換、端口替換、程序跟蹤、超時(shí)和錯誤消息處理。多年以來(lái)，雖然微處理器中已經(jīng)部署了其中的許多功能，但目前還沒(méi)有實(shí)施過(guò)全部功能和實(shí)時(shí)調試接口的處理器。
   
        過(guò)去10年中使用的校準和調試方法使用了在調試和校準動(dòng)力總成系統的過(guò)程中“必須查看每個(gè)周期”的理念體系。Nexus 5001方法對調試情況進(jìn)行了以下四種假設，避開(kāi)了“必須查看每個(gè)周期”的做法。
   
       ● 開(kāi)發(fā)工具中可以使用源代碼和目標代碼。這樣，基于主機的工具就能跟蹤或計算程序流程而無(wú)須直接地址或數據總線(xiàn)可視性。
   
       ● 從目標系統到開(kāi)發(fā)工具都只需要流指令修改。當主機校準/調試工具接入目標代碼后，只需修改通過(guò)調試接口傳輸的流指令地址即可在嵌入式處理器和主機工具之間保持同步。如果流變化在255個(gè)指令中沒(méi)有實(shí)施同步地址，Nexus 5001技術(shù)規范將發(fā)送同步信息。
   
       ● 只有有限數量的數據位置必須實(shí)時(shí)顯示，而大部分數據值可以在中斷期間檢查或發(fā)生特殊事件時(shí)進(jìn)行更新。對于許多工程師來(lái)說(shuō)，Nexus 5001接口跟蹤數據值的功能還是一個(gè)新功能。一般來(lái)說(shuō)，該過(guò)程可以通過(guò)功能強大的邏輯分析器實(shí)現。該分析器負責跟蹤地址總線(xiàn)，并觸發(fā)數據總線(xiàn)向特定內存位置寫(xiě)入數據。這是一項非常棘手的工作，大容量數據高速緩存和片上系統SRAM的出現使它變得幾乎不可能實(shí)現。
   
       ● 最后，如果錯誤發(fā)生，用戶(hù)必須從調試環(huán)境那里收到相關(guān)通知。Nexus 5001技術(shù)規范在發(fā)射機部分提供了一個(gè)大小可以變化的FIFO緩沖器。如果FIFO溢出，接口將發(fā)送錯誤信息。用戶(hù)可以選擇規定什么情況下發(fā)生溢出錯誤，以便實(shí)施過(guò)時(shí)的嵌入式處理器或通過(guò)發(fā)送新的同步信息繼續操作。
   
       Nexus 5001端口可以根據開(kāi)發(fā)、環(huán)路硬件或校準工具捕獲的信息數量進(jìn)行配置。幾個(gè)IC廠(chǎng)商已經(jīng)在多種CPU基礎架構中采用了Nexus 5001技術(shù)規范，以支持從手機、汽車(chē)、硬磁盤(pán)驅動(dòng)控制器到視頻處理器的多種不同應用。
   
       最近為兼容PowerPC構架開(kāi)發(fā)的一種多核實(shí)時(shí)接口可以在單個(gè)接口上提供實(shí)時(shí)調試、校準、快速原型試制和環(huán)路硬件功能。圖2顯示了基于Nexus 5001標準的多核調試體系結構中的4個(gè)處理單元的方框圖。第一版可以為4個(gè)數據處理單元提供實(shí)時(shí)接口。這4個(gè)處理單元分別是兼容e200z Power構架的核心、兩個(gè)增強型定時(shí)處理單元（E-TPU）和一個(gè)直接存儲器存?。―MA）。通過(guò)Class 3 Nexus 5001接口上的一條連接，主機工具可以同時(shí)從任何或全部處理單元中收集數據。此外，調試和校準工具可以在任何或全部處理單元上為數據和指令建立斷裂點(diǎn)/觀(guān)察點(diǎn)。使用這種應用的一個(gè)例子是一位工程師跟蹤E-TPU上的定時(shí)事件和在兼容PowerPC e200 ISA的Book-e處理核心上運行的代碼之間發(fā)生的問(wèn)題。

圖2 Nexus實(shí)施多處理器框圖

       32位嵌入式處理器上可以實(shí)施一個(gè)浮點(diǎn)和/或單指令多數據（SIMD）設備，以支持復雜的算法。SIMD允許在多個(gè)數據集上實(shí)施一條指令，這在過(guò)濾和陣列算法中非常有用。Nexus調試端口允許監控浮點(diǎn)和SIMD的數據和指令。

       MPC5500產(chǎn)品系列中最新的嵌入式汽車(chē)處理器正在推動(dòng)新的引擎技術(shù)。DSP功能與MPC5500 SIMD設備的集成能夠推動(dòng)動(dòng)力總成在多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，包括高級引擎撞擊檢測、CVT改進(jìn)和6速自動(dòng)換檔等。此外，混合電子車(chē)輛功率轉換器模塊中也在使用DSP功能，用來(lái)控制大型電動(dòng)引擎。
   
       新的微控制器、輸入/輸出系統、開(kāi)發(fā)工具、通信方法和高級算法等的出現將實(shí)現新的汽車(chē)應用。具有實(shí)時(shí)多核調試功能的嵌入式處理器將淘汰傳統的運行控制調試方法。
   
       嵌入式處理器已經(jīng)成為現代日常生活不可分割的一部分。偶爾使用該技術(shù)的用戶(hù)不會(huì )注意到大部分嵌入式處理器。半導體技術(shù)將在未來(lái)產(chǎn)品中大大提高集成度和性能并降低成本。設計工程師必須部署新技術(shù)才能充分利用復雜的半導體技術(shù)的優(yōu)勢，而半導體供應商則必須確保系統需求、性能和系統成本之間的平衡。