??? 摘? 要： 介紹了應(yīng)用于32位MCU新產(chǎn)品的多核技術(shù)及其在發(fā)動機(jī)和變速箱控制、圖形儀表板、網(wǎng)間連接器和數(shù)字式汽車音響中應(yīng)用的解決方案。瑞薩科技的車用MCU具有高質(zhì)量、高性能的優(yōu)點(diǎn)，并且內(nèi)置適合汽車電子的功能。
??? 關(guān)鍵詞： 汽車電子；32位MCU；多核技術(shù)
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???????????????????????????????????????? 瑞薩的汽車用MCU
??? 瑞薩的汽車用MCU已有25年以上的歷史。瑞薩在2007年的世界汽車用MCU中占有20 %的市場份額。瑞薩的汽車用MCU被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Aisin和Denso等世界主要的汽車電子制造商所采用。這些汽車電子制造商的產(chǎn)品又被世界上的汽車制造商所采用。對汽車來說，質(zhì)量和性能最為重要，汽車制造商、汽車電子制造商對瑞薩的汽車用MCU所具備的高質(zhì)量、高性能給予了很高的評價。由于取得了這些實(shí)際成績，瑞薩又從當(dāng)時尚未使用瑞薩產(chǎn)品的汽車電子制造商那里獲得了許多貿(mào)易合同，這些汽車電子制造商正在使用瑞薩的汽車用MCU進(jìn)行汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)。下面將介紹應(yīng)用于32位MCU的新產(chǎn)品的解決辦法。
???????????????????????????????????????????? 多核技術(shù)
?? ?最終決定汽車“智能”的是MCU和MPU的基本性能。PC和服務(wù)器的MPU的消耗功率隨著CPU的高速化而增加并達(dá)到極限，雖然向多核化發(fā)展的向量變了，但這對于汽車用的高端MCU和MPU還是一樣的。汽車用MCU的使用環(huán)境很嚴(yán)苛，需要在高溫下工作。例如，發(fā)動機(jī)ECU當(dāng)初置于車廂內(nèi)，而現(xiàn)在被安裝到發(fā)動機(jī)艙中，要在溫度為125 ℃的環(huán)境下工作。所以，必須把它的發(fā)熱量控制到比PC等小得多。頻率自然是有上限的，在壓低頻率的同時又使性能提高的方法就是多核技術(shù)。瑞薩對控制器和處理器分別采用SH-2A和SH-4A兩個多核化方法來開發(fā)新產(chǎn)品。
?? ?另一個與PC的不同之處是在汽車用MCU和MPU中，PC那樣的對稱多處理SMP（Symmetric Multi-Processing)還不能滿足全部的必要條件。圖1是多核技術(shù)在汽車電子中的一般應(yīng)用形式。發(fā)動機(jī)和變速箱控制、剎車和轉(zhuǎn)向控制、車輛協(xié)調(diào)、多媒體等各自所需的多核形式和處理方式與圖1所示的有所不同。例如，發(fā)動機(jī)和變速箱控制采取雙核方式時，要作為兩個互不干預(yù)的實(shí)時控制系統(tǒng)進(jìn)行工作，就應(yīng)當(dāng)采用不對稱多處理AMP(Asymmetric Multi-Processing)。任務(wù)的分配采取程序指定方式。另外，趨向于by-wire方式的剎車和轉(zhuǎn)向控制要使二個內(nèi)核完全相同地工作，以保證系統(tǒng)的冗余性。這就必需采取能夠?qū)Χ€內(nèi)核的工作狀況進(jìn)行比較監(jiān)視的結(jié)構(gòu)形式。為此，瑞薩在剎車和轉(zhuǎn)向控制用MCU的SH-2A內(nèi)增添了Lock-Step Dual功能。這種功能如圖2所示，它在經(jīng)常對2個CPU的工作狀況進(jìn)行比較的同時，還雙工地對DMA控制器和外圍用總線橋的工作狀況進(jìn)行比較監(jiān)視。
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?????????????????????????????????????? 發(fā)動機(jī)和變速箱控制
??? 汽車的尾氣排放是造成空氣污染和地球變暖等的原因之一。因此，汽車產(chǎn)業(yè)一直在為盡量減少并凈化所排放的尾氣而努力。減少尾氣排放的最主要方法是使燃料高效地轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力，傳送給車輪。用更少的燃料得到更大的旋轉(zhuǎn)動力，就可以節(jié)省燃料費(fèi)用。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須要有精度高的動力系。動力系由發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、差動齒輪和驅(qū)動軸等構(gòu)成，發(fā)動機(jī)和變速箱用ECU進(jìn)行電子式的控制。為了進(jìn)行復(fù)雜的控制需要高速執(zhí)行大規(guī)模的控制算法，ECU必需能夠高速工作，并且內(nèi)置大容量快速擦寫存儲器的微型計算機(jī)。而且，近來要求ECU在用于發(fā)動機(jī)控制時，要安裝到高溫的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)；而在用于變速箱控制時，要安裝到高溫的潤滑油中。都必須能夠在125℃條件下穩(wěn)定工作。
??? 瑞薩以前供應(yīng)的內(nèi)置有SH-2E的SH705x系列已被許多汽車制造商使用。
?? ?現(xiàn)在則供應(yīng)內(nèi)置有SH-2A(是比SH-2E更高檔次的內(nèi)核)的SH725xx系列，正被許多汽車電子制造商用于新產(chǎn)品開發(fā)，從今年到明年就會開始應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行的汽車上。現(xiàn)在檔次最高的是SH72544R型產(chǎn)品，它的工作頻率為200 MHｚ，內(nèi)置有2.5 MB的Flash存儲器、具備128 KB數(shù)據(jù)保存用EEPROM功能的Flash存儲器、128 KB SRAM、用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制的高性能定時器ATU-III、3通道CAN，可應(yīng)用于未來的發(fā)動機(jī)和變速箱的電子控制。Flash MCU首次采用90 nm工藝，提高了工作頻率，并且擴(kuò)大了內(nèi)置Flash存儲器的容量。
??? 今后，動力系電子控制的復(fù)雜性將提高得越來越快。為了適應(yīng)這一趨勢，可以采用安裝有2個SH-2A的多核SH-2A-Dual 來實(shí)現(xiàn)高性能化。
????????????????????????????????????????? 圖形儀表板
?? ?汽車的儀表板上安裝有各種儀表和顯示器，還有對駕駛員起警示作用的警示燈和報警蜂鳴器。以前是使用機(jī)械式的速度計、燃料存量表和里程表，而現(xiàn)在的儀表板大都是用步進(jìn)馬達(dá)和LCD構(gòu)成。最近，更有中、高檔車裝上了在大型LCD上顯示汽車診斷信息、安全信息等內(nèi)容的儀表板。
??? 現(xiàn)在人們關(guān)注的是能夠顯示更多信息的圖形儀表板。圖形儀表板可以分為兩類，一類是在原有采用步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動的儀表上增加TFT-LCD圖形顯示的儀表板，另一類是不使用儀表那樣的可動零部件，而所有內(nèi)容都用大型TFT-LCD圖形儀表板顯示。
?? ?同時使用儀表和TFT-LCD的圖形儀表板應(yīng)選擇價格不太高的中型QVGA或WQVGA尺寸的TFT-LCD。TFT-LCD上顯示駕駛員容易看清的汽車診斷信息、安全信息的同時，又可以利用軟件切換顯示汽車倒退時拍攝到的后方圖像，還可以用箭頭表示目的地的方向，提供簡易型導(dǎo)航功能，所以它可以提高駕駛員的辨別能力，明顯改善安全性。在歐洲，各汽車制造商已經(jīng)做了計劃，不僅僅限于高檔車，中檔車也要使用這種儀表板。制造這種儀表板必需采用高速處理技術(shù)，要使用速度為100 MHz以上的32位微型機(jī)。瑞薩為該應(yīng)用提供了32位微型機(jī)SH7262和SH7264，現(xiàn)在正在供應(yīng)樣品，并且將于今年5月開始生產(chǎn)。由于內(nèi)置有144 MHｚ 32位SH-2A CPU、圖形與視頻顯示用的視頻顯示控制器和視頻輸入端口、能夠雙面保持WVGA（480×240像素）TFT-LCD用幀緩沖器的1 MB SRAM等，因此可以大大減少外接元器件。SH7262雖然沒有內(nèi)置控制步進(jìn)電機(jī)的PWM定時器，但與驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的廉價儀表板用MCU組合，就可以構(gòu)成多種功能各異的儀表板。SH7264內(nèi)置有4個控制步進(jìn)電機(jī)的PWM定時器，所以用一個就能構(gòu)成完整的儀表板。
?? ?使用SH7264的圖形儀表板的一個構(gòu)想如圖3所示，可以看到它的外接元器件很少。還有使用SH7264的儀表板演示系統(tǒng)，為了便于用戶進(jìn)行開發(fā)，提供儀表板演示軟件、圖像資料庫，將位映像數(shù)據(jù)變換為RGB輸出的轉(zhuǎn)換器等的軟件。
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????完整的圖形儀表板的TFT-LCD和控制電路價格高昂，估計還要過一些時候才會有更多的汽車安裝使用它。
??????????????????????????????????????? 網(wǎng)間連接器
??? 現(xiàn)在的汽車有車身控制、安全（氣囊）、動力系、多媒體子系統(tǒng)及多個用于故障診斷的網(wǎng)絡(luò)在工作，目前這些子系統(tǒng)主要使用CAN連接。而且，今后隨著通信量的不斷增加，要采取既能提高CAN的波特率又可以增加通道數(shù)的辦法。
?? ?因此，向更高速的10 Mb/s FlexRay演進(jìn)是汽車網(wǎng)絡(luò)未來的主要發(fā)展方向。但是，汽車網(wǎng)絡(luò)要有極高的可靠性，必需進(jìn)行各種各樣的技術(shù)評價。就目前來說，實(shí)際應(yīng)用到汽車中的還非常有限。所以，在FlexRay普及之前，CAN將唱主角，現(xiàn)在的問題是如何增加它的通道數(shù)以適應(yīng)需要。實(shí)際上，高檔車所使用的CAN，通道數(shù)約5條。另一方面，如果從拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)來看CAN，主要瓶頸就在于各通路交叉點(diǎn)的網(wǎng)間連接器的處理能力。
??? 為了適應(yīng)這一狀況，瑞薩提供R32C/145組作為CAN的網(wǎng)間連接器用MCU。如圖4所示，R32C/145使接收部分硬件化，進(jìn)行6通道CAN的路由選擇。1～2通道CAN通常用軟件來處理網(wǎng)間連接器，但是，一旦通信量增加，就不能用軟件處理而必需要用硬件。利用硬件化的方法能夠在20 μs之內(nèi)實(shí)現(xiàn)消息中繼，與此同時就可使軟件負(fù)擔(dān)減少70 %以上。R32C/145也符合汽車用標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)聯(lián)盟AUTOSAR規(guī)定的網(wǎng)間連接器的軟件規(guī)格。
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????今后，瑞薩還打算開發(fā)能與FlexRay和MOST等兼容的網(wǎng)間連接器用的MCU。
????????????????????????????????????????? 數(shù)字式汽車音響
??? 多核SH-2A-Dual正被逐步推廣應(yīng)用于高端數(shù)字汽車音響。SH7265安裝有2個工作頻率為200 MHz的SH-2A，具備480MIPS×2的處理能力。如圖5所示，其中的一個CPU用來處理硬盤，與此同時另一個CPU用來處理媒體系統(tǒng)，就是所設(shè)想的不對稱并行處理(AMP)。SH7265除了安裝USB2.0(高速)主機(jī)外，還內(nèi)置有能適應(yīng)各種格式的聲音軟資料庫和AAC編碼器。編碼器因為其所使用的規(guī)格種類和內(nèi)容包含有變化的部分，所以用軟件來完成；從工作效率的角度考慮，編碼器還是用硬件構(gòu)成才是上策。
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??? 如上所述，瑞薩可為汽車電子的許多方面提供理想的MCU和技術(shù)支持。