论文指导：多核嵌入式技术推动汽车发展

过去的40年里,半导体行业在集成方面取得了突飞猛进的发展。去年正好是摩尔定律公布40周年。在大部分情况下,摩尔定律也适用于试图通过技术在短期内实现迅速扩张的其他一些领域。2005年SIA年度报告中举出的一个例子可以很好地说明半导体行业的模式对日常生活的影响;“1978年,纽约到巴黎的商务航班需要7小时,机票价格为900美元。如果将摩尔定律用于航空业,现在机票的费用就只需要大约1便士,飞行时间不超过1s。”显然,航空业是不愿意采用摩尔定律的,但许多其他行业却试图适用这一定律。
汽车行业已从嵌入式处理技术的发展中大受裨益,有些车辆现在最多使用60个处理器。对汽车新功能的需求在不断增加,这反过来又进一步推动了对更高的系统性能和可靠性的需求。引擎技术的发展和最终的“环保车辆”需要新的方法来解决当前面临的大量技术难题。在利用更大功率的半导体、新型内存技术、更强的嵌入式处理器性能及定时控制功能解决大量电气技术难题方面,半导体将发挥越来越重要的作用。
新型半导体技术将为解决汽车电子行业现有的技术难题创造新的机会。汽车行业现在使用的32位微控制器包含3000多万个晶体管,而且未来几年内可能会迅速增加到6000多万个。随着未来几年内系统集成度的不断提高,要想在日益复杂的系统中充分利用半导体的全部功能,就需要开发新技术。半导体技术的进步现已实现了10年前人们无法想象的新功能,一种新型的实时多核调试、校准和环路硬件接口正在满足高级引擎动力总成系统的特殊要求。

过去30年中,有人曾试图使用停缸技术(Cylinder deactivation)。随着燃油价格的上升和功能强大的嵌入式处理器的出现,汽车生产商和最终用户都开始用新的眼光看待停缸技术。嵌入式处理器被用来控制引擎定时,以在扭矩和动力总成系统的燃油经济性之间达成平衡。
从轻型车辆到重型卡车,各种动力总成应用都将采用清洁环保的引擎。部分地区的政府法规将使引擎变得更加清洁环保。使用燃料直接喷入汽缸和微粒物捕集装置来清除排气装置的方法将需要对喷油嘴和传感器(检测微粒物捕集装置的状态)进行极为先进的定时控制。
要解决这些难题,需要新的方法来使工程设计小组采用上市时间更短、成本更低、可靠性更高且数量日益增加的新特性。在汽车市场,用于引擎管理的嵌入式控制有着一套非常复杂的机电系统要求。客户期望和政府法规的变化正在推动引擎管理的不断变化。引擎技术向稀燃引擎、无凸轮引擎和电子混合车辆的发展将对未来车辆的动力总成系统电子组件产生直接影响,无极变速将在未来的动力总成系统中发挥重要作用,而新的微控制器技术和半导体解决方案将成为将新技术变为现实的主要动力。
图1显示了引擎管理的复杂性。该方框图显示了有多路输入和多路输出设备的常见引擎控制系统,这些输入会根据对系统的影响生成不同级别的中断和异常,输出设备可以是脉宽调制(PWM)、通用输入/输出或定时输入/输出。
在调试和校准机电系统时,实时调试非常关键,因为机电系统通常不允许修改或中断嵌入式处理器的性能以便开发工具进行查询。现在的系统工程师可以利用更先进的开发工具的优势,这些改进在几年前甚至是不可想象的。
为了解决如何在多个处理器核心类型之间实时进行数据和指令跟踪的问题,业内成立了IEEE-ISTO Nexus5001 Consortium或Nexus Forum。Nexus Forum最早于1999年发布技术规范,并在2003年进行了更新。
Nexus 5001技术规范包括了一些标准功能,使用非入侵式调试技术对数据和指令设置断裂点和观察点。该技术规范将部署多种独特功能来跟踪最严重的软件和硬件故障。其中的部分新功能包括:责任跟踪信息处理、数据跟踪、内存替换、端口替换、程序跟踪、超时和错误消息处理。多年以来,虽然微处理器中已经部署了其中的许多功能,但目前还没有实施过全部功能和实时调试接口的处理器。
过去10年中使用的校准和调试方法使用了在调试和校准动力总成系统的过程中“必须查看每个周期”的理念体系。Nexus 5001方法对调试情况进行了以下四种假设,避开了“必须查看每个周期”的做法。

●开发工具中可以使用源代码和目标代码。这样,基于主机的工具就能跟踪或计算程序流程而无须直接地址或数据总线可视性。
●从目标系统到开发工具都只需要流指令修改。当主机校准/调试工具接入目标代码后,只需修改通过调试接口传输的流指令地址即可在嵌入式处理器和主机工具之间保持同步。如果流变化在255个指令中没有实施同步地址,Nexus 5001技术规范将发送同步信息。
●只有有限数量的数据位置必须实时显示,而大部分数据值可以在中断期间检查或发生特殊事件时进行更新。对于许多工程师来说,Nexus 5001接口跟踪数据值的功能还是一个新功能。一般来说,该过程可以通过功能强大的逻辑分析器实现。该分析器负责跟踪地址总线,并触发数据总线向特定内存位置写入数据。这是一项非常棘手的工作,大容量数据高速缓存和片上系统SRAM的出现使它变得几乎不可能实现。

●最后,如果错误发生,用户必须从调试环境那里收到相关通知。Nexus5001技术规范在发射机部分提供了一个大小可以变化的FIFO缓冲器。如果FIFO溢出,接口将发送错误信息。用户可以选择规定什么情况下发生溢出错误,以便实施过时的嵌入式处理器或通过发送新的同步信息继续操作。
Nexus 5001端口可以根据开发、环路硬件或校准工具捕获的信息数量进行配置。几个IC厂商已经在多种CPU基础架构中采用了Nexus 5001技术规范,以支持从手机、汽车、硬磁盘驱动控制器到视频处理器的多种不同应用。
最近为兼容PowerPC构架开发的一种多核实时接口可以在单个接口上提供实时调试、校准、快速原型试制和环路硬件功能。图2显示了基于Nexus5001标准的多核调试体系结构中的4个处理单元的方框图。第一版可以为4个数据处理单元提供实时接口。这4个处理单元分别是兼容e200z Power构架的核心、两个增强型定时处理单元(E—TPU)和一个直接存储器存取(DMA)。通过Class 3 Nexus 5001接口上的一条连接,主机工具可以同时从任何或全部处理单元中收集数据。此外,调试和校准工具可以在任何或全部处理单元上为数据和指令建立断裂点/观察点。使用这种应用的一个例子是一位工程师跟踪E—TPU上的定时事件和在兼容PowerPC e200 1SA的Book-e处理核心上运行的代码之间发生的问题。
32位嵌入式处理器上可以实施一个浮点和/或单指令多数据(SIMD)设备,以支持复杂的算法。SIMD允许在多个数据集上实施一条指令,这在过滤和阵列算法中非常有用。Nexus调试端口允许监控浮点和SIMD的数据和指令。
MPC5500产品系列中最新的嵌入式汽车处理器正在推动新的引擎技术。DSP功能与MPC5500 SIMD设备的集成能够推动动力总成在多个领域的发展,包括高级引擎撞击检测、CVT改进和6速自动换档等。此外,混合电子车辆功率转换器模块中也在使用DSP功能,用来控制大型电动引擎。
新的微控制器、输入/输出系统、开发工具、通信方法和高级算法等的出现将实现新的汽车应用。具有实时多核调试功能的嵌入式处理器将淘汰传统的运行控制调试方法。
嵌入式处理器已经成为现代日常生活不可分割的一部分。偶尔使用该技术的用户不会注意到大部分嵌入式处理器。半导体技术将在未来产品中大大提高集成度和性能并降低成本。设计工程师必须部署新技术才能充分利用复杂的半导体技术的优势,而半导体供应商则必须确保系统需求、性能和系统成本之间的平衡。