多核嵌入式處理技術(shù)推動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展

王延超　張曠奇

過去的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1s。”顯然，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，這反過來又進(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多萬個(gè)晶體管，而且未來幾年內(nèi)可能會(huì)迅速增加到6000多萬個(gè)。隨著未來幾年內(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，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。客戶期望和政府法規(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、無凸輪引擎和電子混合車輛的發(fā)展將對(duì)未來車輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)電子組件產(chǎn)生直接影響，無極變速將在未來的動(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?/p>

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。現(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，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)施過全部功能和實(shí)時(shí)調(diào)試接口的處理器。

過去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)于許多工程師來說，Nexus 5001接口跟蹤數(shù)據(jù)值的功能還是一個(gè)新功能。一般來說，該過程可以通過功能強(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)施過時(shí)的嵌入式處理器或通過發(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。

作者簡介

王延超（1994-），鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院。