多核嵌入式處理技術(shù)推動汽車技術(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)實現(xiàn)迅速擴張的其他一些領(lǐng)域。2005年SIA年度報告中舉出的一個例子可以很好地說明半導(dǎo)體行業(yè)的模式對日常生活的 影響 ；“1978年，紐約到巴黎的商務(wù)航班需要7小時，機票價格為900美元。如果將摩爾定律用于航空業(yè)，現(xiàn)在機票的費用就只需要大約1便士，飛行時間不超過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個處理器。對汽車新功能的需求在不斷增加，這反過來又進一步推動了對更高的系統(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)、更強的嵌入式處理器性能及定時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)造新的機會。汽車行業(yè)現(xiàn)在使用的32位微控制器包含3000多萬個晶體管，而且未來幾年內(nèi)可能會迅速增加到6000多萬個。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)的進步現(xiàn)已實現(xiàn)了10年前人們無法想象的新功能，一種新型的實時多核調(diào)試、校準(zhǔn)和環(huán)路硬件接口正在滿足高級引擎動力總成系統(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）。隨著燃油價格的上升和功能強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，以在扭矩和動力總成系統(tǒng)的燃油 經(jīng)濟 性之間達成平衡。

從輕型車輛到重型卡車，各種動力總成 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噴油嘴和傳感器（檢測微粒物捕集裝置的狀態(tài)）進行極為先進的定時控制。

要解決這些難題，需要新的方法來使工程設(shè)計小組采用上市時間更短、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)雜的機電系統(tǒng)要求。客戶期望和政府法規(guī)的變化正在推動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)展將對未來車輛的動力總成系統(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)實的主要動力。

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)，這些輸入會根據(jù)對系統(tǒng)的影響生成不同級別的中斷和異常，輸出設(shè)備可以是脈寬調(diào)制（PWM）、通用輸入/輸出或定時輸入/輸出。

在調(diào)試和校準(zhǔn)機電系統(tǒng)時，實時調(diào)試非常關(guān)鍵，因為機電系統(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)工具進行查詢。現(xiàn)在的系統(tǒng)工程師可以利用更先進的開發(fā)工具的優(yōu)勢，這些改進在幾年前甚至是不可想象的。

為了解決如何在多個處理器核心類型之間實時進行數(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)對數(shù)據(jù)和指令設(shè)置斷裂點和觀察點。該技術(shù)規(guī)范將部署多種獨特功能來跟蹤最嚴(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、超時和錯誤消息處理。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 還沒有實施過全部功能和實時調(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)動力總成系統(tǒng)的過程中“必須查看每個周期”的理念體系。Nexus 5001方法對調(diào)試情況進行了以下四種假設(shè)，避開了“必須查看每個周期”的做法。

開發(fā)工具中可以使用源代碼和目標(biāo)代碼。這樣，基于主機的工具就能跟蹤或 計算 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工具之間保持同步。如果流變化在255個指令中沒有實施同步地址，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)位置必須實時顯示，而大部分?jǐn)?shù)據(jù)值可以在中斷期間檢查或發(fā)生特殊事件時進行更新。對于許多工程師來說，Nexus 5001接口跟蹤數(shù)據(jù)值的功能還是一個新功能。一般來說，該過程可以通過功能強大的邏輯 分析 器實現(xiàn)。該分析器負責(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現(xiàn)。

最后，如果錯誤發(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)射機部分提供了一個大小可以變化的FIFO緩沖器。如果FIFO溢出，接口將發(fā)送錯誤信息。用戶可以選擇規(guī)定什么情況下發(fā)生溢出錯誤，以便實施過時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)量進行配置。幾個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、汽車、硬磁盤驅(qū)動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)的一種多核實時接口可以在單個接口上提供實時調(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個處理單元的方框圖。第一版可以為4個數(shù)據(jù)處理單元提供實時接口。這4個處理單元分別是兼容e200z Power構(gòu)架的核心、兩個增強型定時處理單元（E—TPU）和一個直接存儲器存?。―MA）。通過Class 3 Nexus 5001接口上的一條連接，主機工具可以同時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/觀察點。使用這種應(yīng)用的一個例子是一位工程師跟蹤E—TPU上的定時事件和在兼容PowerPC e200 1SA的Book-e處理核心上運行的代碼之間發(fā)生的 問題 。

32位嵌入式處理器上可以實施一個浮點和/或單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）設(shè)備，以支持復(fù)雜的算法。SIMD允許在多個數(shù)據(jù)集上實施一條指令，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新的引擎技術(shù)。DSP功能與MPC5500 SIMD設(shè)備的集成能夠推動動力總成在多個領(lǐng)域的 發(fā)展 ，包括高級引擎撞擊檢測、CVT改進和6速自動換檔等。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 和高級算法等的出現(xiàn)將實現(xiàn)新的汽車應(yīng)用。具有實時多核調(diào)試功能的嵌入式處理器將淘汰傳統(tǒng)的運行控制調(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，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) 機械工程學(xué)院。