汽车嵌入式SoC系统的应用与发展 计算机系统, 电子技术, 汽车技术, 微处理器, 发动机

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嵌入式系统是泛计算领域的重要组成部分，是嵌入式对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统。嵌入式系统有体积小、低功耗、集成度高、子系统间能通信融合的优点。随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步，在汽车电子技术中得到了广泛应用。目前，从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统都离不开嵌入式技术的支持。
1 汽车嵌入式系统发展历程
嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路[2]。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似，汽车嵌入式系统也可以分为三个发展阶段：
第一阶段： SCM(Single Chip Microcomputer)系统。以4位和低档8位微处理器为核
心，将CPU和外围电路集成到一个芯片上，配置了外部并行总线、串行通讯接口、SFR模块和布尔指令系统。硬件结构和功能相对单一、处理效率低、存储容易小、软件结构也比较简单，不需要嵌入式操作系统。这种底层的汽车SCM系统主要用于任何相对简单、数据处理量小和实时性要求不高的控制场合，如雨刷、车灯系统、仪表盘以及电动门窗等。


图1 汽车嵌入式SoC系统结构
第二阶段：MCU(Micro Controller Unit)系统。以高档的8位和16位处理器为核心，集成了较多外部接口功能单元，如A/D转换、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片间的串行总线；软件结构比较复杂，程序数据量有明显增加。第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的实时任务，目前在汽车电控系统中得到了最广泛的应用，如ABS系统、智能安全气囊、主动悬架以及发动机管理系统等。
第三阶段：SoC(System of Chips)系统。以性能极高的32位甚至64位嵌入式处理器为核心，在对海量离散时间信号要求快速处理的场合使用DSP作为协处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，不断提高处理程度，增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任何处理能力，同时与网络的耦合更为紧密。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用，满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求，代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。
2 汽车嵌入式SoC系统
2.1 技术特点
汽车嵌入式SoC系统是嵌入式系统向实时多任务管理、网络耦合与通信的高端应用过渡的产物，大大提高了汽车电子系统的实时性、可靠性和智能化程度。除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外，它还具有以下几个优点：
（1） 对实时多任务管理有很强的支持能力，中断响应时间1~2μs;
（2） 具有很强的存储区保护功能；
（3） 在嵌入式实时操作系统的支持下能合理进行任务调度，充分利用系统资源；
（4） 硬件结构和软件功能都有很强的扩展能力，系统集成度大大提高，降低了成本；
（5） 超低功耗，汽车静态功耗为豪瓦级；
（6） 系统硬件抗干扰能力增强，适应高温、潮湿、振动和电磁辐射等各种工作环境；
（7） 实时操作系统支持软件多线程结构，增强了系统的软件抗干
扰性；
（8） 提供强大的网络通信功能，具备地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，提供容错数据传输能力和更大通信带宽。

2.2 系统结构
汽车嵌入式SoC系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括嵌入式处理和外围设备，软件包括应用软件和操作系统。软件通过数据结构、算法和通讯协议实现汽车电子控制策略，硬件则为软件提供了运行平台，执行具体控制。
嵌入式SoC硬件系统集成度越来越高，一般为模块化结构，如图1(a)所示。在高性能CPU核心外通过IP总线扩展实时时钟模块、SRAM（静态随机存储器）及大容量FLASH，配置CAN总线与USB通信模块，无缝集成PWM输出、多通道串口、A/D转换接口与统一的高速缓冲存储器，支持RISC技术、多级流水线技术与在片调试技术。系统的实时处理能力、可靠性和网络通信能力大大增强。
现代汽车电子系统从单一控制逐渐发展到多变量多任务协调控制，软件越来越庞大，越来越复杂，使得嵌入式系统需要寻找新的软件解决方案。图1(b)描述了汽车嵌入式SoC系统软件的典型结构。它采用基于标准化接口和通讯协议的模块化软件设计，系统内部通讯由交互层直接完成，保障应用程序间的信息传送。网络层拥有数据流处理能力，是不同系统层面间信息交换的中间接口，能最大程度地整合系统资源。嵌入式实时操作系统摒弃了传统操作系统的前后台模式，使用总线驱动层和硬件抽象层管理I/O端口，合理分配CPU资源，采用基于优先级的事件管理策略，通过API（应用程序接口）调用应用程序，根据邮箱、消息队列和信号量机制综合管理中断、系统行为和任务。
2.3 常用的SoC系统平台
为适应汽车电子系统的发展潮流，各国的半异体和软件制造商纷纷推出相应的嵌入式SoC产品。
著名的SoC硬件平台包括：Intel公司的StrongArm核心处理器，拥有32位RISC数据总线、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片调试、三级流水线技术和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心处理器，它是32位RISC处理器，拥有16.85MHz时钟频率和2.7MIPS的处理速度，无缝集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM输出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心处理器，它是64位RISC芯片，拥有300MHz时钟和603MIPS的处理程度，集成统一的L2高速缓冲存储器、DRAM控制器、PCI-X网桥和10/100MAC设备。著名的SoC软件平台即实时操作系统包括“QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它们都是实时、微核、基于优先级、消息传递、抢占式多任务、多用户分布式网络操作系统，拥有模块化结构，内核运行高速稳定，通信能力和扩展裁剪能力很强。

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