汽車網(wǎng)關(guān)和TCU的架構(gòu)正在迅速變化 能夠高效地處理和移動大量數(shù)據(jù)

在半自動化的趨勢下，汽車架構(gòu)正在快速演進(jìn)，車輛的完全自動駕駛最終會得以實現(xiàn)。汽車制造商還引入了多種功能，例如智能訪問、車輛共享、預(yù)測性維護(hù)、車輛跟蹤、車隊管理和無線 （OTA） 更新，以增強(qiáng)連接性和車載通信。這些高級功能生成的數(shù)據(jù)量不斷增加，需要通過高性能處理器進(jìn)行處理，并在 CAN、LIN 和高速網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）等接口之間安全可靠地進(jìn)行通信。因此，汽車制造商正在重新評估汽車網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程信息處理控制單元系統(tǒng)的架構(gòu)。

汽車網(wǎng)關(guān)

汽車網(wǎng)關(guān)是一種系統(tǒng)，其核心功能是在車輛內(nèi)安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)?？稍谲囕v中部署多種網(wǎng)關(guān)：集中式網(wǎng)關(guān)和多個域網(wǎng)關(guān)。

汽車中的集中式網(wǎng)關(guān)可以在遠(yuǎn)程信息處理控制單元 （TCU）、動力傳動系統(tǒng)、車身、信息娛樂系統(tǒng)、數(shù)字駕駛艙和 ADAS 應(yīng)用等多個域之間安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

域網(wǎng)關(guān)（或域控制器）具有類似的功能，只不過它僅在其相應(yīng)域內(nèi)的 ECU 之間路由數(shù)據(jù)。

與域網(wǎng)關(guān)相比，集中式網(wǎng)關(guān)通常需要更強(qiáng)的處理性能、更多的接口和更高的帶寬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。下圖說明了如何在車輛中實現(xiàn)這兩種類型的網(wǎng)關(guān)。

示例 SoC 架構(gòu)，具有一個集中式網(wǎng)關(guān)和兩個域網(wǎng)關(guān)。

TCU

TCU 是車輛中用于連接互聯(lián)網(wǎng)和云的 ECU。隨著汽車制造商為車輛配備 Wi-Fi?、Bluetooth? 和蜂窩數(shù)據(jù)選項，連接到互聯(lián)網(wǎng)和云的汽車變得越來越普遍。

此連接技術(shù)使得緊急呼叫 （eCall） 成為可能，方便乘客在行駛中在線訪問娛樂和其他內(nèi)容，同時還可為車輛中的數(shù)字內(nèi)容提供 OTA 軟件更新。

車輛共享、用手機(jī)訪問取代遙控鑰匙、車隊管理和跟蹤、保險提供商遠(yuǎn)程監(jiān)控駕駛習(xí)慣以及汽車經(jīng)銷商遠(yuǎn)程監(jiān)控車輛狀況以安排預(yù)防性維護(hù)（如更換機(jī)油）等，這些新興趨勢都需要車輛連接到互聯(lián)網(wǎng)和云才能實現(xiàn)。

另一個新興趨勢是車輛能夠與車輛、基礎(chǔ)設(shè)施（如交通信號燈）甚至人類等實體進(jìn)行通信，這一趨勢也有助于實現(xiàn)車輛的完全自動駕駛。人們形象地稱之為車對車 （V2V） 和車對基礎(chǔ)設(shè)施 （V2I） 以及車對行人 （V2P）。專用短程通信 （DSRC） 或 c-V2X連接通常有助于實現(xiàn)此類通信。

簡而言之，遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)可將汽車與外界聯(lián)系起來。下圖對遠(yuǎn)程信息處理進(jìn)行了說明。

遠(yuǎn)程信息處理示例。

不斷發(fā)展演進(jìn)的網(wǎng)關(guān)和 TCU 需要應(yīng)用處理器

汽車網(wǎng)關(guān)處理器通常是 32 位微控制器 （MCU），具有嵌入式閃存和受支持的網(wǎng)關(guān)接口，如控制器局域網(wǎng) （CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) （LIN） 和 FlexRay?等低速接口。然而，隨著汽車的 ADAS 和連接功能不斷增加，車輛必須以非常低的延遲在各個域之間對越來越多的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全可靠的處理和通信。

由于 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率和 LIN 之類的接口無法以較低的延遲來處理大量數(shù)據(jù)，因此汽車制造商正在遷移到基于以太網(wǎng) TCP/IP 的協(xié)議，以應(yīng)對更高帶寬的數(shù)據(jù)移動。由于 TCP/IP 是消費(fèi)者領(lǐng)域中公認(rèn)的通信協(xié)議，它對人們很有吸引力。因此，與未經(jīng)證實的協(xié)議相比，其風(fēng)險更低。

MCU 本身可能滿足不了未來網(wǎng)關(guān)的處理要求，因此性能更高的應(yīng)用處理器正在取代或填補(bǔ)某些 MCU 功能，以處理和路由未來網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。此外，隨著車載網(wǎng)絡(luò)向基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的遷移，由應(yīng)用處理器支持的汽車網(wǎng)關(guān)可以幫助快速高效地處理和路由各個域之間的數(shù)據(jù)。

連接是實現(xiàn) OTA 更新以刷新娛樂內(nèi)容和其他服務(wù)（如車輛共享/拼車應(yīng)用和遠(yuǎn)程車輛訪問）所必需的條件。TCU 具有一個用于提供連接的蜂窩或 Wi-Fi? 調(diào)制解調(diào)器和一個用于處理從調(diào)制解調(diào)器所接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理器。處理包括解密數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)并將其路由到網(wǎng)關(guān)或其他域 ECU。在當(dāng)前的架構(gòu)中，調(diào)制解調(diào)器和處理器集成在單個半導(dǎo)體器件中。但是，由于調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，因此汽車制造商正在改為使用將調(diào)制解調(diào)器與處理器分離的架構(gòu)。此外，汽車網(wǎng)關(guān)和 TCU 都在向由應(yīng)用處理器支持的基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)遷移，該應(yīng)用處理器具有 PCIe 等高速連接外設(shè)支持，并具有強(qiáng)大的計算能力來處理和路由各個域之間的數(shù)據(jù)。將處理器與調(diào)制解調(diào)器相分離的優(yōu)點(diǎn)在于，僅更換調(diào)制解調(diào)器（無需改變處理器及在其上面運(yùn)行的所有相關(guān)軟件），即可將 ECU快速遷移到新的調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)。

隨著汽車互聯(lián)性和自主性的提高，安全與防護(hù)在汽車網(wǎng)關(guān)和 TCU 中也變得越來越重要。專用的嵌入式安全處理器或子系統(tǒng)可以幫助保護(hù)對車輛安全密鑰的訪問，增強(qiáng)通信通道的安全性，并確?？尚跑浖虏槐挥糜诰W(wǎng)絡(luò)攻擊。安全功能通常在經(jīng)安全認(rèn)證的分立 MCU 中實現(xiàn)。但是集成了應(yīng)用處理器和安全 MCU 的片上系統(tǒng) （SoC） 為汽車 OEM 提供了更低的物料清單 （BOM） 成本。

開發(fā)成本

如前面段落所述，網(wǎng)關(guān)和 TCU 系統(tǒng)在功能方面正變得越來越復(fù)雜。這給汽車制造商帶來了高昂的開發(fā)成本。理想情況下，汽車所有層級/型號的供應(yīng)商均可避免此項成本。

OEM 和一級供應(yīng)商可以借助 Jacinto? DRAx 系列汽車處理器中的其中一款來節(jié)約開發(fā)成本，該系列處理器可提供可擴(kuò)展且軟件兼容的平臺，有助于滿足下一代網(wǎng)關(guān)和 TCU 系統(tǒng)的需求。Jacinto DRA8x 汽車處理器通過支持各種高速 I/O（如 PCIe、USB3.x、千兆以太網(wǎng)以及 CAN-FD 和 LIN 等傳統(tǒng)汽車外設(shè)），幫助增強(qiáng)整個車輛的連接性。

這些處理器還經(jīng)過專門設(shè)計，可用于汽車網(wǎng)關(guān)，同時包含片上 MCU 子系統(tǒng)，以幫助滿足 TCU、應(yīng)用處理器和汽車網(wǎng)關(guān)所需的實時處理需求和性能。

DRA829V 是 DRA8X 系列中最新的汽車處理器。DRA829V 器件是一款增強(qiáng)型 SoC，它集成了多個計算和處理元件，使得汽車網(wǎng)關(guān)可以更輕松高效地管理和支持更高的實時數(shù)據(jù)吞吐量。由于此器件配備了用于實時處理的 Arm? Cortex ? -A72 MPU 集群和 Arm Cortex-R5F 內(nèi)核集群以及高速外設(shè)（如 USB-3、集成 PCIe 交換機(jī)和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)）等特性，因此無需外部組件即可實現(xiàn)更高的帶寬數(shù)據(jù)傳輸。DRA829V 處理器的另一個關(guān)鍵特性是其集成的功能安全 MCU 子系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持片上 ASIL-B 至 ASIL-D 功能安全操作。DRA829V 處理器還包括一套傳統(tǒng)的汽車外設(shè)，例如 CAN-FD、LIN 和 MOST。對于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，DRA829 器件通過集成的高安全性模塊 （HSM） 支持安全引導(dǎo)和運(yùn)行時環(huán)境。此外，DRA829V 處理器還提供了各種計算能力和外設(shè)組合，可為多種汽車網(wǎng)關(guān)提供成本優(yōu)化的器件。

Jacinto DRA8x 處理器系列包含對 Processor SDK 中多個高級實時操作系統(tǒng)的支持，同時它還具有完全兼容且可擴(kuò)展的軟件開發(fā)套件 （SDK），從而使得 OEM 可以在其產(chǎn)品系列中利用和重用設(shè)計成果，最終降低開發(fā)成本。有了統(tǒng)一的軟件，汽車制造商便能夠擴(kuò)大成本高昂的軟件研發(fā)投資規(guī)模，并通過其整個集中式網(wǎng)關(guān)平臺為從入門級到高端級在內(nèi)的各類車輛部署軟件。

創(chuàng)新下一代網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

汽車網(wǎng)關(guān)和 TCU 的架構(gòu)正在迅速變化，以在汽車的各個域之間高效地處理和移動大量數(shù)據(jù)。配備集成 MCU子系統(tǒng)、應(yīng)用處理器和高速 I/O 功能的可擴(kuò)展 SoC 將有助于以更少的系統(tǒng) BOM 滿足這種新架構(gòu)的需求。TI 的可擴(kuò)展硬件和軟件兼容 DRA8x SOC 系列有助于滿足新網(wǎng)關(guān)和 TCU 架構(gòu)的需求，從而幫助降低系統(tǒng) BOM 成本和汽車網(wǎng)關(guān)的開發(fā)成本。