湖北自考論文：多核嵌入式技術(shù)推動(dòng)汽車發(fā)展

      過(guò)去的40年里,半導(dǎo)體行業(yè)在集成方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。去年正好是摩爾定律公布40周年。在大部分情況下,摩爾定律也適用于試圖通過(guò)技術(shù)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速擴(kuò)張的其他一些領(lǐng)域。2005年SIA年度報(bào)告中舉出的一個(gè)例子可以很好地說(shuō)明半導(dǎo)體行業(yè)的模式對(duì)日常生活的影響;“1978年,紐約到巴黎的商務(wù)航班需要7小時(shí),機(jī)票價(jià)格為900美元。如果將摩爾定律用于航空業(yè),現(xiàn)在機(jī)票的費(fèi)用就只需要大約1便士,飛行時(shí)間不超過(guò)1s?！憋@然,航空業(yè)是不愿意采用摩爾定律的,但許多其他行業(yè)卻試圖適用這一定律。
汽車行業(yè)已從嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展中大受裨益,有些車輛現(xiàn)在最多使用60個(gè)處理器。對(duì)汽車新功能的需求在不斷增加,這反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)更高的系統(tǒng)性能和可靠性的需求。引擎技術(shù)的發(fā)展和最終的“環(huán)保車輛”需要新的方法來(lái)解決當(dāng)前面臨的大量技術(shù)難題。在利用更大功率的半導(dǎo)體、新型內(nèi)存技術(shù)、更強(qiáng)的嵌入式處理器性能及定時(shí)控制功能解決大量電氣技術(shù)難題方面,半導(dǎo)體將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
新型半導(dǎo)體技術(shù)將為解決汽車電子行業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)難題創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。汽車行業(yè)現(xiàn)在使用的32位微控制器包含3000多萬(wàn)個(gè)晶體管,而且未來(lái)幾年內(nèi)可能會(huì)迅速增加到6000多萬(wàn)個(gè)。隨著未來(lái)幾年內(nèi)系統(tǒng)集成度的不斷提高,要想在日益復(fù)雜的系統(tǒng)中充分利用半導(dǎo)體的全部功能,就需要開發(fā)新技術(shù)。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了10年前人們無(wú)法想象的新功能,一種新型的實(shí)時(shí)多核調(diào)試、校準(zhǔn)和環(huán)路硬件接口正在滿足高級(jí)引擎動(dòng)力總成系統(tǒng)的特殊要求。

過(guò)去30年中,有人曾試圖使用停缸技術(shù)(Cylinder deactivation)。隨著燃油價(jià)格的上升和功能強(qiáng)大的嵌入式處理器的出現(xiàn),汽車生產(chǎn)商和最終用戶都開始用新的眼光看待停缸技術(shù)。嵌入式處理器被用來(lái)控制引擎定時(shí),以在扭矩和動(dòng)力總成系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)成平衡。
從輕型車輛到重型卡車,各種動(dòng)力總成應(yīng)用都將采用清潔環(huán)保的引擎。部分地區(qū)的政府法規(guī)將使引擎變得更加清潔環(huán)保。使用燃料直接噴入汽缸和微粒物捕集裝置來(lái)清除排氣裝置的方法將需要對(duì)噴油嘴和傳感器(檢測(cè)微粒物捕集裝置的狀態(tài))進(jìn)行極為先進(jìn)的定時(shí)控制。
要解決這些難題,需要新的方法來(lái)使工程設(shè)計(jì)小組采用上市時(shí)間更短、成本更低、可靠性更高且數(shù)量日益增加的新特性。在汽車市場(chǎng),用于引擎管理的嵌入式控制有著一套非常復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)要求?？蛻羝谕驼ㄒ?guī)的變化正在推動(dòng)引擎管理的不斷變化。引擎技術(shù)向稀燃引擎、無(wú)凸輪引擎和電子混合車輛的發(fā)展將對(duì)未來(lái)車輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)電子組件產(chǎn)生直接影響,無(wú)極變速將在未來(lái)的動(dòng)力總成系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用,而新的微控制器技術(shù)和半導(dǎo)體解決方案將成為將新技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的主要?jiǎng)恿Α?
圖1顯示了引擎管理的復(fù)雜性。該方框圖顯示了有多路輸入和多路輸出設(shè)備的常見引擎控制系統(tǒng),這些輸入會(huì)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的影響生成不同級(jí)別的中斷和異常,輸出設(shè)備可以是脈寬調(diào)制(PWM)、通用輸入/輸出或定時(shí)輸入/輸出。
在調(diào)試和校準(zhǔn)機(jī)電系統(tǒng)時(shí),實(shí)時(shí)調(diào)試非常關(guān)鍵,因?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)通常不允許修改或中斷嵌入式處理器的性能以便開發(fā)工具進(jìn)行查詢?，F(xiàn)在的系統(tǒng)工程師可以利用更先進(jìn)的開發(fā)工具的優(yōu)勢(shì),這些改進(jìn)在幾年前甚至是不可想象的。
為了解決如何在多個(gè)處理器核心類型之間實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令跟蹤的問題,業(yè)內(nèi)成立了IEEE-ISTO Nexus5001 Consortium或Nexus Forum。Nexus Forum最早于1999年發(fā)布技術(shù)規(guī)范,并在2003年進(jìn)行了更新。
Nexus 5001技術(shù)規(guī)范包括了一些標(biāo)準(zhǔn)功能,使用非入侵式調(diào)試技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)和指令設(shè)置斷裂點(diǎn)和觀察點(diǎn)。該技術(shù)規(guī)范將部署多種獨(dú)特功能來(lái)跟蹤最嚴(yán)重的軟件和硬件故障。其中的部分新功能包括:責(zé)任跟蹤信息處理、數(shù)據(jù)跟蹤、內(nèi)存替換、端口替換、程序跟蹤、超時(shí)和錯(cuò)誤消息處理。多年以來(lái),雖然微處理器中已經(jīng)部署了其中的許多功能,但目前還沒有實(shí)施過(guò)全部功能和實(shí)時(shí)調(diào)試接口的處理器。
過(guò)去10年中使用的校準(zhǔn)和調(diào)試方法使用了在調(diào)試和校準(zhǔn)動(dòng)力總成系統(tǒng)的過(guò)程中“必須查看每個(gè)周期”的理念體系。Nexus 5001方法對(duì)調(diào)試情況進(jìn)行了以下四種假設(shè),避開了“必須查看每個(gè)周期”的做法。

●開發(fā)工具中可以使用源代碼和目標(biāo)代碼。這樣,基于主機(jī)的工具就能跟蹤或計(jì)算程序流程而無(wú)須直接地址或數(shù)據(jù)總線可視性。
●從目標(biāo)系統(tǒng)到開發(fā)工具都只需要流指令修改。當(dāng)主機(jī)校準(zhǔn)/調(diào)試工具接入目標(biāo)代碼后,只需修改通過(guò)調(diào)試接口傳輸?shù)牧髦噶畹刂芳纯稍谇度胧教幚砥骱椭鳈C(jī)工具之間保持同步。如果流變化在255個(gè)指令中沒有實(shí)施同步地址,Nexus 5001技術(shù)規(guī)范將發(fā)送同步信息。
●只有有限數(shù)量的數(shù)據(jù)位置必須實(shí)時(shí)顯示,而大部分?jǐn)?shù)據(jù)值可以在中斷期間檢查或發(fā)生特殊事件時(shí)進(jìn)行更新。對(duì)于許多工程師來(lái)說(shuō),Nexus 5001接口跟蹤數(shù)據(jù)值的功能還是一個(gè)新功能。一般來(lái)說(shuō),該過(guò)程可以通過(guò)功能強(qiáng)大的邏輯分析器實(shí)現(xiàn)。該分析器負(fù)責(zé)跟蹤地址總線,并觸發(fā)數(shù)據(jù)總線向特定內(nèi)存位置寫入數(shù)據(jù)。這是一項(xiàng)非常棘手的工作,大容量數(shù)據(jù)高速緩存和片上系統(tǒng)SRAM的出現(xiàn)使它變得幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

●最后,如果錯(cuò)誤發(fā)生,用戶必須從調(diào)試環(huán)境那里收到相關(guān)通知。Nexus5001技術(shù)規(guī)范在發(fā)射機(jī)部分提供了一個(gè)大小可以變化的FIFO緩沖器。如果FIFO溢出,接口將發(fā)送錯(cuò)誤信息。用戶可以選擇規(guī)定什么情況下發(fā)生溢出錯(cuò)誤,以便實(shí)施過(guò)時(shí)的嵌入式處理器或通過(guò)發(fā)送新的同步信息繼續(xù)操作。
Nexus 5001端口可以根據(jù)開發(fā)、環(huán)路硬件或校準(zhǔn)工具捕獲的信息數(shù)量進(jìn)行配置。幾個(gè)IC廠商已經(jīng)在多種CPU基礎(chǔ)架構(gòu)中采用了Nexus 5001技術(shù)規(guī)范,以支持從手機(jī)、汽車、硬磁盤驅(qū)動(dòng)控制器到視頻處理器的多種不同應(yīng)用。
最近為兼容PowerPC構(gòu)架開發(fā)的一種多核實(shí)時(shí)接口可以在單個(gè)接口上提供實(shí)時(shí)調(diào)試、校準(zhǔn)、快速原型試制和環(huán)路硬件功能。圖2顯示了基于Nexus5001標(biāo)準(zhǔn)的多核調(diào)試體系結(jié)構(gòu)中的4個(gè)處理單元的方框圖。第一版可以為4個(gè)數(shù)據(jù)處理單元提供實(shí)時(shí)接口。這4個(gè)處理單元分別是兼容e200z Power構(gòu)架的核心、兩個(gè)增強(qiáng)型定時(shí)處理單元(E—TPU)和一個(gè)直接存儲(chǔ)器存取(DMA)。通過(guò)Class 3 Nexus 5001接口上的一條連接,主機(jī)工具可以同時(shí)從任何或全部處理單元中收集數(shù)據(jù)。此外,調(diào)試和校準(zhǔn)工具可以在任何或全部處理單元上為數(shù)據(jù)和指令建立斷裂點(diǎn)/觀察點(diǎn)。使用這種應(yīng)用的一個(gè)例子是一位工程師跟蹤E—TPU上的定時(shí)事件和在兼容PowerPC e200 1SA的Book-e處理核心上運(yùn)行的代碼之間發(fā)生的問題。
32位嵌入式處理器上可以實(shí)施一個(gè)浮點(diǎn)和/或單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)設(shè)備,以支持復(fù)雜的算法。SIMD允許在多個(gè)數(shù)據(jù)集上實(shí)施一條指令,這在過(guò)濾和陣列算法中非常有用。Nexus調(diào)試端口允許監(jiān)控浮點(diǎn)和SIMD的數(shù)據(jù)和指令。
MPC5500產(chǎn)品系列中最新的嵌入式汽車處理器正在推動(dòng)新的引擎技術(shù)。DSP功能與MPC5500 SIMD設(shè)備的集成能夠推動(dòng)動(dòng)力總成在多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,包括高級(jí)引擎撞擊檢測(cè)、CVT改進(jìn)和6速自動(dòng)換檔等。此外,混合電子車輛功率轉(zhuǎn)換器模塊中也在使用DSP功能,用來(lái)控制大型電動(dòng)引擎。
新的微控制器、輸入/輸出系統(tǒng)、開發(fā)工具、通信方法和高級(jí)算法等的出現(xiàn)將實(shí)現(xiàn)新的汽車應(yīng)用。具有實(shí)時(shí)多核調(diào)試功能的嵌入式處理器將淘汰傳統(tǒng)的運(yùn)行控制調(diào)試方法。
嵌入式處理器已經(jīng)成為現(xiàn)代日常生活不可分割的一部分。偶爾使用該技術(shù)的用戶不會(huì)注意到大部分嵌入式處理器。半導(dǎo)體技術(shù)將在未來(lái)產(chǎn)品中大大提高集成度和性能并降低成本。設(shè)計(jì)工程師必須部署新技術(shù)才能充分利用復(fù)雜的半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì),而半導(dǎo)體供應(yīng)商則必須確保系統(tǒng)需求、性能和系統(tǒng)成本之間的平衡。