如何选择面向汽车电子领域的处理器

上网时间: 2005年01月30日? 作者:Bjorn Hori? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:汽车? DSP? 数字信号处理?

汽车正经历着一场数字革命的洗礼:纯机械系统和模拟电子的时代一去不复返。现今的汽车是数字化的汽车,内置了几十甚至上百个嵌入式处理器,它们通过数字网路相互连接,以控制和优化汽车内几乎每一个系统的运转。将来的汽车会集成更多的处理器,因为先进的应用和性能要求更为复杂的信号处理算法,包括安全、引擎和尾气排放控制、驾驶者与汽车的交互界面,以及车内信息和娱乐系统等。

汽车市场要求处理器供应商做出长期的承诺。例如,汽车制造商有时要求其供应商对某一处理器产品提供长达10~15年的供应承诺。下面我们将探讨针对汽车数字信号处理应用的各种处理器类型,以及各个类型的优缺点。此外,我们还将分析汽车应用的特殊要求对面向汽车市场的处理器的影响。

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表1:处理器类型、代表性供应商及处理器样品

汽车应用中处理器的选择

汽车系统所用处理器的选择受多种因素的影响。最主要的选择标准一般包括汽车认证资格、片上集成度、性能、价格和节能等。软件开发工具的质量及软件组件的可用性也会影响到处理器的选择。处理器供应商对其产品的承诺以及将来的发展规划等也是重要的考虑因素。

由于关系到生命安全,汽车引擎、气囊控制和刹车系统等关键的汽车安全系统对处理器有十分严格的可靠性和耐用性要求。因此,汽车安全系统应用对处理器供应商来说是最严峻的考验。这些应用要求处理器获得汽车认证资格,而且这类处理器都需要专门的设计、制造、封装和测试方法。

有许多非关键信号处理汽车系统也需要大量的处理器,比如车内导航和娱乐设备。尽管汽车整车制造商和汽车电子系统供应商对这类应用也要求高质量的组件,但要求毕竟没有关键性安全应用那么高。例如,用于车内系统的处理器一般不要求获得汽车认证资格。

现在,对性能要求最高的汽车信号处理应用是车内导航和娱乐系统。再过几年这一情形可能有所改变,因为新的安全系统开始采用视频和雷达处理,而且引擎和刹车控制系统将采用基于模型的复杂计算方法,目前流行的查找表参考方法也将被复杂的实时运算方法所替代。

在处理器上集成适当的外设、存储器和I/O接口有助于提高性能和稳定性,以及降低功耗和系统成本。汽车应用的片上集成要求与其它信号处理应用有很大的区别。因此,面向汽车应用市场的供应商必须针对这些应用的特殊要求而专门设计其处理器。多通道模数转换器对面向汽车控制系统的处理器特别有用。例如,一个引擎控制系统一般要接收来自数十个模拟传感器的输入信号。

对面向汽车控制系统的处理器来说,片上闪存是一个关键特性,因为这些系统要使用很大的查找表,有时需要现场更新。如引擎控制系统所用的查找表就包含来自各种控制组件(比如加油器和点火线圈)的数万个校准点(或类似输出值)。校准点数据一般是在汽车出厂前在实验室确定的,但汽车使用一段时间后某些校准点可能需要调整。片上闪存就可以利用从汽车经销商处下载的数据现场更新校准点或控制算法的其它参数。

与采用单独的闪存芯片相比,将闪存集成在处理器上的最大好处在于系统性能的提高和成本的降低。虽然集成的片上闪存对系统开发商很有价值,但处理器供应商要实现它却非易事。经汽车认证的处理器对高温的要求比主流闪存技术所能承受的温度要高。可想而知,在这一市场上竞争的处理器供应商往往需要投入大量的资源以开发可在汽车系统上稳定工作的闪存技术。

数字网络收发器有助于分布式系统中处理器间的通信。有各种各样的网络协议针对不同的汽车系统。面向特定汽车应用的处理器一般都为相关协议集成了网络收发器。例如,控制域网络(CAN)协议一般用于引擎和变速控制网络。而面向媒体的系统传输(MOST)协议则针对车内信息娱乐应用,如音频、视频、导航及通信等。

对于面向关键应用的处理器,先进的片上调试追踪单元也十分有用。这种追踪功能可为系统开发者提供详细的处理器、软件和操作系统状态信息,这些信息对验证和调试特别有用。针对全球嵌入式处理器调试接口的Nexus 5001论坛标准定义了软件与片上调试硬件的接口。该标准最早由IEEE行业标准和技术组织(IEEE-ISTO)于1999年制定,现已更新到IEEE-ISTO 5001-2003。该标准的开发者希望它能够鼓励开发工具供应商将片上调试追踪单元添加进来,或加强对它的支持。

车内信息和娱乐系统是当前汽车应用中对计算性能要求最高的信号处理系统,主要是因为这些系统涉及到视频处理等需要强大信号处理功能的应用。一个高档信息娱乐系统可能包括多通道音频系统、DVD播放器、GPS导航系统,以及免提移动电话,所有这些都集成进一个系统内。针对车内信息娱乐系统的处理器包括相对高性能的DSP、DSP增强型通用处理器(GPP),以及DSP/GPP混合器件。这些处理器一般工作于200至750MHz的时钟速率范围内。

相反地,针对引擎和刹车控制等关键控制系统的处理器一般都是中等性能的处理器。采用较大的芯片制造工艺(如0.18或0.25微米)比较容易满足高温等恶劣工作环境的要求,而且控制应用的处理速度要求一般不太高。因此,相对较低的最大处理器时钟速度(40至150 MHz)和较大的制造工艺是这类应用的最佳选择。然而,这类应用对处理性能的要求也在不断提高,处理器供应商必须调整策略,以便在满足高温要求的同时获得更高的性能。

汽车应用对价格特别敏感。处理器供应商不得不开发高集成度的专用处理器以降低系统成本。虽然汽车应用对价格比较敏感,但汽车资格认证过程却代价不菲,而且这些成本会增加芯片成本。结果,经过汽车资格认证的处理器一般要比非认证的同类产品贵。在汽车信号处理系统中,高效节能一般不是主要问题。只有在引擎运转和电池充电系统启动的时候,引擎、底盘和刹车控制等系统才处于工作状态。

尽管如此,高效节能在某些应用中也很重要。有些系统在引擎关闭时处于工作状态,它们的功耗必须很低以便电池耗能不会影响引擎启动。例如,车内信息娱乐设备就是这类应用之一。还有些系统必须密封得很好以免受到外界环境影响。在这种情况下,这类系统的封装可能会影响散热,因此功耗不能太大。

针对汽车应用的信号处理器

在当今的汽车系统中,有很多类型的芯片用于完成信号处理任务,从8位MCU到DSP,再到FPGA。在信号处理扮演重要角色的系统中,8位和16位MCU现已不常被采用,因为它们的处理性能有限。为降低成本,系统开发商往往选择那些性能正好够用的处理器。但对某些应用,预留一些性能空间是比较明智的,尤其是车内信息娱乐系统,更能从这一性能空间的灵活性中获益,因为有些功能应用(如语音识别、导航及音频控制)在选择处理器时发展得尚不完善。

32位嵌入式通用处理器(GPP)一般用于中等性能要求的汽车信号处理控制系统。这一档次的处理器一般采用RISC结构,所用指令简单、普通且几乎无并行指令。GPP在强调决策和控制流变化的算法处理上特别有效,但许多情况下其信号处理性能也不错。此外,GPP也是很好的编译对象。与一些难于编译的特殊DSP结构相比,GPP编译代码是相当有效的。流行的32位GPP结构(比如MIPS、ARM和PowerPC)已广泛应用于汽车和非汽车应用系统。

市场的广泛认可所带来的优势包括丰富的第三方软件组件供应和强大的开发工具支持。这一类别的处理器包括德州仪器的TMS470系列(基于ARM7内核)和飞思卡尔的MPC500系列(基于PowerPC内核)。这两种处理器都在32位通用处理器内核上集成了汽车专用外设。飞思卡尔的MPC500系列处理器集成了外设、存储器和专用I/O接口,主要针对引擎和变速控制应用,它带有大容量的闪存、多个CAN接口、一个Nexus调试接口、多个ADC,以及多个先进的定时模块。

DSP、DSP/GPP混合器件以及DSP增强型GPP一般用于车内信息娱乐系统及需要信号处理功能的控制系统。这些处理器带有特殊的功能,包括多积聚硬件、大容量存储带宽,以及采用多运行算法的指令。这些特性综合起来,可大大加速数字信号处理算法,比同样时钟速率的GPP要快得多。

DSP/GPP混合器件及DSP增强型GPP意在集成DSP和GPP的最佳特性:DSP的信号处理功能以及GPP在决策密集型算法和编译代码中的高效率。这种功能组合对那些既要求信号处理又需要决策处理的系统尤其重要。这类处理器包括德州仪器的TMS320C2000系列、飞思卡尔的MC56F83xx系列、瑞萨的SH7760,以及模拟器件公司的ADSP-BF53x(Blackfin系列)。

FPGA似乎不大适合汽车处理应用,因为它们一向以昂贵著称。然而,最近几年FPGA供应商推出了一系列低成本、高效率的器件,使得FPGA也成为汽车系统的可选方案。与传统的固定结构处理器(比如DSP和GPP)不同,FPGA不受预先设定的指令集限制。相反,FPGA可为系统设计者提供极大的设计灵活性,以便开发适于特定应用的处理结构。

由于FPGA具有强大的并行处理能力,其信号处理速度比最快的固定结构处理器还要快。但高性能是要付出代价的:基于FPGA的信号处理系统的开发成本要比固定结构软件开发的成本高得多。虽然FPGA在汽车系统中的作用会逐渐扩大,但目前它主要用于车内信息娱乐系统的接口。当然,一旦FPGA进入汽车系统,它就会有更多其它用途,有可能会替代其它系统组件的功能。

例如,随着用FPGA实现“软”处理器内核的出现,就像Altera的Nios II和赛灵思的MicroBlaze (二者都是32位RISC处理器内核),微处理器可能会更多地采用FPGA实现,而不是单独的芯片。这样可节省成本,因为软核可以定制(设计者可以包括和剔除某些特性,也可以在功能和资源消耗上左右取舍),而且还易于实现与采用FPGA结构的专用硬件(比如特定算法加速器)的接口。

数字信号处理器遍布汽车各个角落

随着汽车应用的电动和电控程度越来越高,数字信号处理将遍布汽车的各个角落。那些已经采用数字信号处理的应用将会增加计算负荷,从而促使新一代高性能汽车处理器的发展。例如,飞思卡尔新型MCP5554处理器的运行速度是其前一代产品MPC566的两倍,而且新增的SIMD指令执行功能可进一步提高其信号处理性能。

数字信号处理在汽车领域的新应用既包括需要高信号处理性能的计算密集型应用(如车道跟踪系统),也包括仅需一般处理性能的应用(如胎压监控系统-TPMS)。面向汽车信号处理应用的处理器具有很宽的性能范围,而且将来更会趋于多样化。基于视频的安全和信息娱乐系统等高端应用将需要更高的信号处理性能,而TPMS等低端应用则需要节能高效的处理性能。

更多的处理器,更广的性能范围,这一趋势何时是尽头?也许要等到嵌入式处理器渗透到汽车系统的每一个角落。想象一下这一场景:除了集成进每个轮胎的气压监控器外(新型汽车将会强制实施),每个轮胎还内置一个处理器用于收集和转发关于其状态和性能的信息。例如,轮胎可能会自动发出警告:“这是右前方轮胎,我注意到路面是湿的,但我的胎面花纹深度不足以应付这种状况。”

你也许认为这有点太超前,但在汽车系统中采用更多的处理器将是不可逆转的趋势。鉴于半导体产品的成本不断降低,以及智能汽车器件的潜在好处,可以预见有一天我们的汽车将配有智能轮胎。

作者:Bjorn Hori


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