基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)

為了滿足用戶對(duì)舒適度、安全性和自動(dòng)駕駛功能的需求，車載ECU（電子控制單元）的數(shù)量不斷增加。然而ECU數(shù)量的增加也給汽車制造商帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。因此，全球大多數(shù)汽車制造商正在從傳統(tǒng)的分布式 ECU 架構(gòu)過(guò)渡到基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)。

在分布式的架構(gòu)中，所有的功能緊密交互，難以管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，域控架構(gòu)目的是將分散的控制鏈路，整合到單個(gè)大型ECU中（如圖1所示）。例如將在新能源車上，將整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器整合至一個(gè)控制器中。

圖1 域控架構(gòu)

區(qū)域（Zonal）架構(gòu)是將來(lái)自多個(gè)域的多個(gè)ECU 進(jìn)行整合，并減少整車線束的數(shù)量（如圖2所示），線束數(shù)量的減少有望降低車輛的重量和線束的復(fù)雜性，重量的降低可以提升純電車型的續(xù)航里程。對(duì)于車輛中眾多的ECU，可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇使用域架構(gòu)還是區(qū)域架構(gòu)，充分利用兩種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

圖2 區(qū)域架構(gòu)

區(qū)域和域架構(gòu)都支持硬件和軟件生命周期的分離。兩者都允許汽車制造商在不更改組件的情況下更新和升級(jí)車輛軟件。這些新架構(gòu)還支持軟件定義汽車概念，可以在最短的時(shí)間內(nèi)推出新的功能和車型。

內(nèi)存需求的變化

首先，與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)中使用的MCU相比，域和區(qū)域架構(gòu)需要提供更高計(jì)算能力的 MCU。當(dāng)前域架構(gòu)中需要主頻為400MHz的多核實(shí)時(shí)MCU。符合這種條件的MCU有的具有多達(dá)6個(gè)Arm Cortex-R52 內(nèi)核或者Tricore內(nèi)核，其中多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核以鎖步配置運(yùn)行，以執(zhí)行實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢查。

盡管 MCU 內(nèi)核和工作頻率是系統(tǒng)架構(gòu)師常用的參考規(guī)格，但非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 也對(duì)整體系統(tǒng)性能和成本產(chǎn)生重大影響。盡管如此，NVM的規(guī)格是最容易被忽視的。例如，兩個(gè)具有相同內(nèi)核和工作頻率的 MCU 在計(jì)算性能、功耗以及可靠性方面可能會(huì)因其使用的NVM類型和讀寫速度而存在顯著差異。NVM類型和NVM讀寫速度也會(huì)影響 MCU 的固件升級(jí)能力。

新架構(gòu)中的NVM限制

通常在計(jì)算系統(tǒng)中，NVM用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。大多數(shù)通用 MCU使用的是Flash，其類型通常是浮柵或某種CT（charge-trap） NOR Flash。這些NVM中的大多數(shù)的讀寫速度都非常慢，甚至支持的最大頻率低于20 MHz。

對(duì)于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，內(nèi)存需要大約 15 個(gè)等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運(yùn)行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個(gè)周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來(lái)最小化這些等待狀態(tài)，但是緩存也是通過(guò)一套算法來(lái)預(yù)測(cè)下一條執(zhí)行的指令，當(dāng)預(yù)測(cè)失效時(shí)，還是需要臨時(shí)從內(nèi)存中獲取，這種等待還是在所難免。

雖然隨著技術(shù)的創(chuàng)新，NOR Flash的讀寫速度有明顯提高，在技術(shù)工藝上，當(dāng)前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常復(fù)雜的high-k金屬柵極前端技術(shù)中集成這些存儲(chǔ)單元的困難，成本顯著增加。

大部分區(qū)域控制器選擇的MCU都是28nm制程的，這樣可以最大限度的提高集成度，并且允許支持超大型應(yīng)用程序所需的大容量NVM，最大可能需要20MB，但是由于OTA需要AB分區(qū)策略，這樣就需要MCU的NVM最大可達(dá)40MB。

對(duì)于這種情況，一些區(qū)域 MCU要么沒(méi)有NVM，采用外掛形式，要么作為雙芯片系統(tǒng)級(jí)封裝 （SIP） 出售。這些 MCU 通常具有較大的 RAM ，可以將代碼放入RAM中執(zhí)行，盡管此解決方案提供的計(jì)算性能比嵌入式閃存稍好，但基于區(qū)域和域的應(yīng)用程序存在一些缺點(diǎn)。

首先MCU 在啟動(dòng)時(shí)需要加載 RAM 內(nèi)容所需的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。盡管信息娛樂(lè)系統(tǒng)在車輛啟動(dòng)時(shí)需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)啟動(dòng)是可以的，但延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于管理車門控制、轉(zhuǎn)向控制、照明和其他關(guān)鍵功能的域和區(qū)域來(lái)說(shuō)是不可接受的，當(dāng)前主機(jī)廠大部分要求是MCU必須在200ms左右完成啟動(dòng)，這種加載到RAM執(zhí)行是做不到的。另外RAM 的另一個(gè)缺點(diǎn)是它比 NVM的功耗更高。

另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是系統(tǒng)成本。在MCU中放置一個(gè)大RAM來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序代碼將比嵌入式NVM更昂貴。然后，無(wú)論外部NVM是作為SIP集成在包本身中，還是掛載在板上，它都會(huì)增加成本，使系統(tǒng)成本更高。

在系統(tǒng)中，與 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻轉(zhuǎn)率——通常是由于輻射，通常稱為軟錯(cuò)誤率 （SER）。這會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。為了支持最高級(jí)別的可靠性，用于汽車應(yīng)用的最新 MCU 支持端到端糾錯(cuò)碼（ECC）。外部 NVM 不支持端到端 ECC，這會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，需要針對(duì)性采用額外的技術(shù)手段。

PCM在區(qū)域和域架構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn)

ePMC（Embedded phase change memory，嵌入式相變存儲(chǔ)區(qū)）的內(nèi)部橫截面圖如圖3所示。ePCM存儲(chǔ)元件的集成比28 n制程的NVM在汽車應(yīng)用中使用的雙多晶硅閃存單元便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不會(huì)干擾復(fù)雜的高 k 金屬柵晶體管結(jié)構(gòu)。

圖3 相變存儲(chǔ)器 （PCM） 單元結(jié)構(gòu)

另外與NVM不同，ePCM 中的寫入操作不需要高電壓。因此，ePCM可以與標(biāo)準(zhǔn)晶體管一起工作，而閃存需要專用的高壓晶體管來(lái)管理。所有這些因素都會(huì)影響可制造性和成本。

與 NOR 或 NAND 閃存不同，PCM 的工作原理是基于鍺銻碲 （GST） 合金的電阻率變化。這種合金根據(jù)快速的溫度變化改變電阻率，而電阻率決定了位狀態(tài)。圖 4顯示了如何在 PCM 中設(shè)置或重置位。

圖4 PCM寫入過(guò)程如何進(jìn)行位變換

因此，與NOR 閃存相比，ePCM 支持快速讀寫訪問(wèn)。寫入時(shí)間的顯著減少是因?yàn)?ePCM 在寫入之前不需要擦除操作。此功能還大大縮短了大型存儲(chǔ)區(qū)和域 MCU 的工廠編程時(shí)間，從而降低了制造成本。

此外，ePCM 還提供與NVM相媲美的可靠性和耐用性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，ePCM允許模擬真正的 EEPROM 的單個(gè)bit的可更改性。這顯著減少了系統(tǒng)寫入時(shí)間。此外，由于它只對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行操作，因此單位寫入不會(huì)影響相鄰存儲(chǔ)單元的壽命。