汽車嵌入式SoC系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展
摘要：介紹了作為計算領(lǐng)域重要組成部分的汽車嵌入式系統(tǒng)由低端到高端的發(fā)展歷程和各個階段的主要特點，詳細論述了嵌入式SoC系統(tǒng)應(yīng)用于汽車電子方面的新理論、新方法和關(guān)鍵技術(shù)，并對汽車嵌入式SoC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：泛計算 嵌入式系統(tǒng) 汽車電子SoC

嵌入式系統(tǒng)是泛計算領(lǐng)域的重要組成部分，是嵌入式對象宿主體系中完成某種特定功能的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展以及微處理器技術(shù)的不斷進步，在汽車電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，從車身控制、底盤控制、發(fā)動機管理、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術(shù)的支持。

1 汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程

嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，經(jīng)歷了漫長的獨立發(fā)展的單片機道路[2]。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的發(fā)展類似，汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個發(fā)展階段：

第一階段：SCM(Single Chip Microcomputer)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核心，將CPU和外圍電路集成到一個芯片上，配置了外部并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)和功能相對單一、處理效率低、存儲容易小、軟件結(jié)構(gòu)也比較簡單，不需要嵌入式操作系統(tǒng)。這種底層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任何相對簡單、數(shù)據(jù)處理量小和實時性要求不高的控制場合，如雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤以及電動門窗等。

圖1

第二階段：MCU(Micro Controller Unit)系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如A/D轉(zhuǎn)換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡單的實時任務(wù)，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動懸架以及發(fā)動機管理系統(tǒng)等。

第三階段：SoC(System of Chips)系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對海量離散時間信號要求快速處理的場合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴展的嵌入式應(yīng)用需求，不斷提高處理程度，增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實時多任何處理能力，同時與網(wǎng)絡(luò)的耦合更為緊密。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車電子上的高端應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴展、邏輯漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。

2 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)

2.1 技術(shù)特點

汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向?qū)崟r多任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)耦合與通信的高端應(yīng)用過渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實時性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，它還具有以下幾個優(yōu)點：

（1） 對實時多任務(wù)管理有很強的支持能力，中斷響應(yīng)時間1~2μs;

（2） 具有很強的存儲區(qū)保護功能；

（3） 在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下能合理進行任務(wù)調(diào)度，充分利用系統(tǒng)資源；

（4） 硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強的擴展能力，系統(tǒng)集成度大大提高，降低了成本；

（5） 超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為豪瓦級；

（6） 系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強，適應(yīng)高溫、潮濕、振動和電磁輻射等各種工作環(huán)境；

（7） 實時操作系統(tǒng)支持軟件多線程結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)的軟件抗干擾性；

（8） 提供強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件，提供容錯數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車嵌入式SoC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理和外圍設(shè)備，軟件包括應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和通訊協(xié)議實現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運行平臺，執(zhí)行具體控制。

嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來越高，一般為模塊化結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴展實時時鐘模塊、SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉(zhuǎn)換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲器，支持RISC技術(shù)、多級流水線技術(shù)與在片調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)的實時處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增強。

現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務(wù)協(xié)調(diào)控制，軟件越來越龐大，越來越復(fù)雜，使得嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述