芯馳科技E3系列車規(guī)MCU關(guān)鍵技術(shù)

10月18日，芯馳科技在智東西公開課開設(shè)的「芯馳科技汽車芯片系列公開課 · 車規(guī)MCU專場」已順利完結(jié)，芯馳科技市場總監(jiān)何旭鵬帶來了主題為《缺芯潮下，國產(chǎn)車規(guī)MCU的創(chuàng)新與應(yīng)用》的直播講解。

何旭鵬老師首先從缺芯潮下MCU的國產(chǎn)替代機會和挑戰(zhàn)講起，之后結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)、軟件開發(fā)工具鏈、參考設(shè)計，以及ADAS和電池管理系統(tǒng)BMS應(yīng)用方案等方面內(nèi)容，對芯馳科技E3系列車規(guī)MCU進行了深入解讀。

本次專場分為上中下三集，將從以下5個方面展開：

缺芯潮下MCU的國產(chǎn)替代機會與挑戰(zhàn)

芯馳科技E3系列車規(guī)MCU介紹

芯馳科技E3系列車規(guī)MCU關(guān)鍵技術(shù)

E3系列MCU的工具鏈與參考設(shè)計

基于E3的ADAS及BMS應(yīng)用方案介紹

本集內(nèi)容為：

芯馳科技E3系列車規(guī)MCU關(guān)鍵技術(shù)

E3系列MCU的工具鏈與參考設(shè)計

芯馳科技E3系列車規(guī)MCU關(guān)鍵技術(shù)

這里介紹一些產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。首先從內(nèi)核談起，E3內(nèi)核的特點主要有以下幾個：第一個特點是高功能安全，像有朋友在討論區(qū)里提到的，Cortex-R5F也是一個ASIL D認(rèn)證的IP，可以在ARM官網(wǎng)下載到相關(guān)的功能安全證書。芯馳E3整個系列都配置了Cortex-R5F內(nèi)核，它的第一個特點是安全，第二個特點是高算力。高算力背后有兩個原因，一是有多個可編程內(nèi)核，比如E3600系列，最多是6個物理上的內(nèi)核，最小可以配置成三對獨立可運行的鎖步內(nèi)核；最大情況下，除一對鎖步內(nèi)核無法解開，其他的兩對鎖步核可以配置為4個獨立可編程的內(nèi)核，這樣就可以獲得總共5個獨立的內(nèi)核，芯片整體算力會得到提升。表格最后一行展示的是以KDMIPS為單位的算力，E3600系列未來還有800MHz主頻的產(chǎn)品，算力可以達到8KDMIPS。

另外，部分雙核鎖步CPU可以被配置成鎖步或獨立運行模式，舉例如ADAS控制器或者剎車控制器，這些ECU都有功能安全和非功能安全的算力需求，此時E3的CPU就可以由用戶去配置為鎖步內(nèi)核和多個獨立運行的非鎖步內(nèi)核，以滿足應(yīng)用的算力要求。

第三個特點是支持單指令多數(shù)據(jù)類的指令，這是Cortex-R5F帶來的一個特點，也是提升運算效率的一個方式。再就是硬件FPU，提供一個硬件浮點單元。很多朋友可能會問，芯馳E3產(chǎn)品的算力很高，它有什么樣的目標(biāo)市場呢？我們在推廣的過程中看到越來越多的ECU是有高算力需求的。舉個例子，首先實現(xiàn)厘米級高精度定位的定位盒子P-Box，對于自動駕駛來說這是一個非常重要的ECU，這類ECU需要對越來越多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的矩陣計算，需要大容量存儲和大算力來完成實時定位運算，這一部分很多時候會用到E3400，甚至E3600系列來做產(chǎn)品開發(fā)。目前，我們有多個P-Box項目在研，正是發(fā)揮了E3高算力的特點。

此外，現(xiàn)在很多ECU集成了更多的傳統(tǒng)ECU功能，比如某項目是底盤的域控制器，里面可能有BMS、網(wǎng)關(guān)、車身控制、VCU等，這些功能集成在一起之后，對MCU的算力要求將會顯著提高。

第一個關(guān)鍵技術(shù)是存儲架構(gòu)。芯馳E3存儲架構(gòu)的特點首先是容量很大，剛才提到了E3640最大有4MB SRAM，但是整顆芯片中可用的SRAM大于4MB。因為每一對鎖步內(nèi)核上有128KB TCM，這是更靠近內(nèi)核的一個更快SRAM，它可以做普通的SRAM使用。如果計及TCM，再把RAM的ECC部分（不需要ECC時可作為普通RAM使用）也算進去，整個SRAM會超過5MB。

第二個關(guān)鍵技術(shù)是有高性能的指令和數(shù)據(jù)緩存，這兩部分對于Cortex-R5F內(nèi)核是非常重要的。我們跑過一些典型應(yīng)用，比如電機驅(qū)動或者網(wǎng)關(guān)，發(fā)現(xiàn)在這些實際應(yīng)用場景中緩存的命中率是非常高的，經(jīng)?？梢赃_到99%及以上的水平，這意味著大部分的數(shù)據(jù)、指令訪問，都是在高速緩存范圍內(nèi)完成了，所以CPU性能會非常高。并且根據(jù)我們的理解，絕大部分的ECU應(yīng)用運行下來都會得到非常高的緩存命中率。而對于希望能準(zhǔn)確的執(zhí)行并避免緩存miss的工況，關(guān)鍵代碼可以放在TCM里完成，整個執(zhí)行會有更高的確定性。

另外，各級存儲基本都有ECC和Parity保護，整體具有功能安全設(shè)計。除了每一種存儲有ECC保護以外，各個存儲內(nèi)部的總線還有端對端的保護，整個存儲架構(gòu)是十分安全的。

其他重要特點還包括可擴展的外部存儲器，芯馳叫XSPI接口。它最多可以跑到200MHz時鐘、8根數(shù)據(jù)線、DDR模式，最大實現(xiàn)每秒400MB/s的串行存儲擴展。這個接口擴展的存儲器是memory mapped，可以直接把代碼或者數(shù)據(jù)放在其中運行，大部分情況無需把外部Flash中的程序放到RAM里運行。這個存儲接口還可以支持?jǐn)?shù)據(jù)加密并在線解密執(zhí)行程序。

大家可能也會有疑問，為什么要把MCU產(chǎn)品的存儲做得這么大？為什么需要可擴展的存儲接口？主要原因在于很多應(yīng)用會有越來越大的數(shù)據(jù)量。以區(qū)域控制器為例，很多產(chǎn)品都會用到10MB以上的Flash存儲，隨著未來ECU產(chǎn)品集成度提高、更復(fù)雜的功能被集成，存儲一定會繼續(xù)增長。如果有個可擴展的存儲，會使這一切變得更加靈活。比如做一個產(chǎn)品升級，算力是足夠的，但Flash空間不夠，換一個板級引腳兼容的Flash就可以解決。

第三個關(guān)鍵技術(shù)是E3產(chǎn)品所集成的外設(shè)與功能模塊。下面介紹下外設(shè)層面值得提出的點：首先是CAN-FD和LIN接口非常多，CAN-FD最多有24路，LIN最多16路，這樣的配置對未來的集中式電子電氣架構(gòu)是非常重要的，可以讓控制器便捷的接駁各類傳感器和執(zhí)行器。我們已經(jīng)看到了一些客戶做區(qū)域控制器時，用到的CAN和LIN在25路左右的水平，這是未來一兩年會上車的控制器產(chǎn)品，可以看到這一類產(chǎn)品的演化非常快。

FlexRay是一個重要的通信接口，有時可以作為ECU間的備份通信路徑，當(dāng)兩個區(qū)域控制器之間的以太網(wǎng)通信出現(xiàn)單點故障時，可以作為備份。集中化汽車電子電氣架構(gòu)中的域控制器通常將以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)，芯馳的E3產(chǎn)品里面絕大多數(shù)都配有以太網(wǎng)，最多包含兩個千兆以太網(wǎng)模塊，支持TSN。TSN是比較重要的，特別是在ADAS相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域里，可用于實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和控制信號的時間同步。比如一個激光雷達，其傳遞到ADAS控制器的數(shù)據(jù)就需要做時間同步，E3支持TSN的一系列協(xié)議，具體可以參考芯馳技術(shù)參考手冊上的相關(guān)介紹。

以太網(wǎng)在未來的集中式電子電氣架構(gòu)中，也會作為一個主干網(wǎng)絡(luò)而存在，現(xiàn)在能看到的一些域控制器中以太網(wǎng)已經(jīng)用到了百兆，未來千兆的情況也會很快的進入應(yīng)用階段，因為數(shù)據(jù)量會越來越大。

對于軟件定義汽車或者SOA架構(gòu)的開發(fā)，TSN也扮演著十分重要的作用。SOA中一個應(yīng)用的功能會由很多的服務(wù)組成，由不同的ECU完成，這個過程中需要一個時間邏輯上的同步，TSN就是相關(guān)實現(xiàn)所需的關(guān)鍵模塊。

接口外設(shè)如USB，在特定的應(yīng)用中是比較重要的。比如一個液晶儀表，USB可以更方便的下載資源、進行調(diào)試。還有SPI，由于汽車中越來越多的外部器件是串行化的，E3最多有8個SPI模塊，每個模塊有4個片選，可以支持較多的節(jié)點滿足板級系統(tǒng)連接需求。

下面是兩個實時控制相關(guān)的外設(shè)，E3芯片內(nèi)部集成了高性能的SAR ADC，采樣率能達到2MSPS，內(nèi)部有三個獨立的SAR內(nèi)核，可以做同步采樣。同時，會支持多達48個模擬通道，另外還有專門的IO可以受到ADC模塊的控制，去選通外部的模擬開關(guān)，自動實現(xiàn)模擬通道拓展。同時，E3有4個模擬比較器可以做快速的保護，該保護的響應(yīng)時間是非?？斓?，在實時控制相關(guān)的應(yīng)用發(fā)揮著非常重要的作用。實時控制的外設(shè)剛才提到了eTimer和ePWM，可以實現(xiàn)數(shù)字量的輸入輸出，可以最高支持到64個通道。

第四個關(guān)鍵技術(shù)是信息安全。信息安全模塊不只是硬件安全模塊，也包含了安全存儲、干擾檢測器和eFuse。

硬件安全模塊里包含了一個RISC-V信息安全內(nèi)核和一系列信息安全相關(guān)的硬件加速引擎，可以分為幾大類：公鑰。對稱加密、哈希和真隨機數(shù)。除了這些傳統(tǒng)的算法以外，國密SM2/3/4/9也被包含到了硬件加速引擎當(dāng)中，整個芯片計劃過國密二級的認(rèn)證。

其中比較重要的部分是eFuse，eFuse可用于燒寫?yīng)毺氐腎D或密鑰。eFuse有兩個比較典型的應(yīng)用，第一種是使用外部的Flash存儲器并需要在外部Flash存儲器里直接執(zhí)行程序，但這時不希望外部存儲器里的程序是對外可見的，這時可以把它加密，然后把密鑰存在芯片內(nèi)部的eFuse里，外部存儲器中的程序可以直接在線的解密并得到執(zhí)行。這樣整個代碼的安全，知識產(chǎn)權(quán)安全得到了保護。

第二周，它里面可以用來做安全啟動的密鑰，在啟動時會讀取對應(yīng)的區(qū)域，對固件進行驗簽，校驗通過后執(zhí)行代碼。這樣可以保證運行的固件是經(jīng)過認(rèn)證的，芯馳有安全啟動的相關(guān)方案，具體會提到怎樣配置eFuse。

存儲這部分，有專門針對加密算法運行過程中的公鑰和私鑰做的安全存儲，安全存儲在內(nèi)部有一個專門的RAM區(qū)域，外部無法訪問。這樣的區(qū)域，可以在檢測到外部攻擊，比如對電源和時鐘的攻擊，或者在一些安全原則被違反的情況下，自動銷毀秘鑰，這部分功能由干擾檢測器實現(xiàn)。

另外一點是安全啟動有速度上的要求，有很多人會要求安全系統(tǒng)啟動后在一定時間內(nèi)能收發(fā)CAN報文，芯馳已經(jīng)有一個相關(guān)的方案，并且實測下來性能是比較好的，也間接說明了整個HSM吞吐率是比較不錯的，能滿足典型應(yīng)用的要求。

關(guān)于安全區(qū)域，整個信息安全模塊通過mailbox進行訪問，而我們的密鑰，比如eFuse里存儲的密鑰，只能通過硬件引擎去訪問，其他的程序代碼是無法接觸到的，這樣的機制也保證了信息安全能達到比較高的水平。

最后一項關(guān)鍵技術(shù)是功能安全。功能安全是個比較復(fù)雜的話題，首先介紹下芯馳的功能安全輸出物，芯馳一直將功能安全作為重要目標(biāo)，友商功能安全相關(guān)的軟硬件文檔芯馳都會有。安全手冊，包括了各個模塊的安全機制和實現(xiàn)方法的描述，配套也會有一個功能安全軟件，這個軟件會提供一些范例，告訴大家怎么實現(xiàn)這些功能性機制。

另外，我們還會提供AUTOSAR軟件，一些核心模塊也會做ASIL D級別的功能安全認(rèn)證，為系統(tǒng)集成者實現(xiàn)系統(tǒng)功能安全的助力。芯馳還會提供FMEDA表單，客戶可以根據(jù)你所用的安全模塊和所采取的安全機制，計算診斷覆蓋率和PMHF，評估達到什么樣的功能安全等級，也是做終端產(chǎn)品的功能安全認(rèn)證所必須的輸出物。最后，我們會有產(chǎn)品功能安全證書提供。

E3系列MCU的

工具鏈與參考設(shè)計

這張表里放了E3系列最關(guān)鍵的工具鏈和生態(tài)組件，先從軟件看起，軟件方面芯馳一直是維護了兩套軟件系統(tǒng)：第一個是汽車?yán)锓浅Ａ餍械腁utoSAR MCAL，由芯馳非常有經(jīng)驗團隊進行開發(fā)，既包括了MCAL驅(qū)動，也包括了復(fù)雜驅(qū)動CDD，這些都屬于AutoSAR軟件的重要組成部分。

這一套AutoSAR MCAL軟件釋放以后，芯馳和國內(nèi)外的AutoSAR供應(yīng)商做了適配，國內(nèi)的包括普華、東軟睿馳、恒潤，國外包括Vector、ETAS、EB等都已經(jīng)做了一定程度的適配，有些第三方工具成熟度已經(jīng)接近于量產(chǎn)水平。多家廠商為芯馳提供了AutoSAR評估包，有需要的客戶可以購買評估包。

另一套軟件是SSDK。芯馳是提供了一套BSP軟件或者說基于FreeRTOS驅(qū)動庫，它的重要意義在于如果一個新的硬件要做一些調(diào)試和校驗可以比較快的上手，它可以直接接觸到底層做一些寄存器配置。SSDK軟件也同樣適用于不需要AutoSAR的客戶進行項目量產(chǎn)。

顯示中間件部分芯馳也和當(dāng)前流行的庫做了適配，包括QT for MCU和LittleVGL。

再就是大家關(guān)注的集成開發(fā)環(huán)境，這部分芯馳還在適配更多的廠商，現(xiàn)在有IAR和Greenhills是可以用的，也得益于芯馳采用Cortex-R5內(nèi)核，在IAR的工具中，可以找到支持到功能安全ASIL D級別的工具鏈，非功能安全的工具鏈也是可以作為一個選項去獲取。同時，整套工具提供了一個代碼編輯、調(diào)試、鏈接生成可執(zhí)行文件等這一系列必要的軟件工具。

往下是參考設(shè)計，是按照車規(guī)級A樣標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的應(yīng)用參考板。評估板是一個相對低成本的最小系統(tǒng)，把絕大部分的資源引出，可以供客戶搭建自己的原型機。

文檔不再詳細(xì)介紹，數(shù)據(jù)手冊和技術(shù)參考手冊是最基本的文檔。其他文檔也有很多，比如軟件開發(fā)包的使用手冊、硬件設(shè)計手冊、還有各個應(yīng)用相關(guān)的手冊，比如OTA相關(guān)的、信息安全相關(guān)的應(yīng)用手冊，在芯馳支持系統(tǒng)上都有提供。

接下來是E3顯示參考設(shè)計。上圖顯示了兩個比較重要的參考設(shè)計，這些參考設(shè)計的硬件設(shè)計資料、軟件包還有說明文檔，都是可以在芯馳支持系統(tǒng)里直接下載到的。上圖左上角展現(xiàn)的是參考設(shè)計中核心的板卡，而周邊的一些配件并沒有放在圖片中。

該參考設(shè)計面對的是幾個顯示類的應(yīng)用，像是2D液晶儀表，抬頭顯示控制器和電子后視鏡，電子后視鏡是指車左右兩邊的外電子后視鏡。該板卡上貼了E3340具有顯示多媒體模塊的 MCU，它可以通過串行器輸入攝像頭的數(shù)據(jù)也可以做視頻數(shù)據(jù)的接入；視頻輸出有 LVDS接口和 RGB接口直接推屏。

同時，板卡上有一些高性能的車規(guī)接口，包括1000Base-T1口、USB口和CAN-FD口。剛才也提到了USB在顯示類應(yīng)用中下載素材做OTA或者更換儀表等主題，作為一個下載更新的介質(zhì)入口具有獨特的優(yōu)勢。

板卡上還有電機驅(qū)動和音頻功放，可以搭建一個儀表的體系。另外，板卡還有32bit的SRAM作為一個顯示buffer使用。特別提到的是顯示參考設(shè)計已經(jīng)升級到了第二代，上圖左下角展現(xiàn)的是第一代，第二代產(chǎn)品有幾個比較激動人心的demo，比如1920×720能跑到60幀的2D液晶儀表，這是最新推出的一個方案，在業(yè)界做到比較高的水平。因為E3內(nèi)部有硬件扭曲引擎，可以把指針?biāo)⒌奖容^高的頻率，實現(xiàn)效果會比較好，未來會有視頻和demo提供給客戶。

同時，我們還在部署高分辨率的電子后視鏡，比如1080P、720P的電子后視鏡方案，會適配不同的顯示屏和攝像頭來滿足客戶的需求。以上顯示類的參考設(shè)計的一個概況。

第二個是E3網(wǎng)關(guān)、電動力總成、域控制器參考設(shè)計，這一塊面向的是剛才提到的車身域控及域控型網(wǎng)關(guān)、電動力總成、域控制器。域控制器不限于ADAS或者底盤域控，這里是一個又大又全的域控參考設(shè)計。

板卡貼了E3640 MCU，接口上留了把兩路1000Base-T1，同時也預(yù)留了一個100Base-TX，可以方便我們?nèi)フ{(diào)試，還有豐富的CAN-FD/LIN接口，引出了很多模擬輸入通道，包括了PWM、SENT和數(shù)字輸入，板卡載有高級邊驅(qū)動的芯片，這些驅(qū)動接口也被預(yù)留了出來，他們對于車身控制器是一個比較基礎(chǔ)的模塊，同時芯片還貼了MCP，有HyperFlash和HyperRAM存儲，可以同時給E3640芯片擴展RAM和Flash。

該參考設(shè)計，可以去做電機FOC的評估、Benchmarking以及通信相關(guān)的壓力測試，比如CAN-FD自環(huán)、以太網(wǎng)自環(huán)的壓力測試，現(xiàn)在這塊參考板按照 A樣級別設(shè)計的，怎么理解？使用12V的供電，板卡上的接口和芯片以及PCB都是車規(guī)選型，整個板子可以做EMC實驗、高低溫實驗，也可以裝車接口連接，做一些功能驗證。該設(shè)計有助于客戶快速上手做自己的應(yīng)用，它們也在不斷更新迭代中。

關(guān)于芯馳科技

芯馳科技專注于為未來智慧出行提供高性能、高可靠的車規(guī)芯片，是國內(nèi)首個“全場景、平臺化”的芯片產(chǎn)品與技術(shù)解決方案提供者。

芯馳科技產(chǎn)品和解決方案覆蓋智能座艙、智能駕駛、中央網(wǎng)關(guān)和高性能MCU四大業(yè)務(wù)，涵蓋了未來汽車電子電氣架構(gòu)最核心的芯片類別，從而實現(xiàn)“四芯合一，賦車以魂”。芯馳的車規(guī)芯片已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，服務(wù)客戶超過260家，覆蓋中國90%以上的車廠。

關(guān)于芯馳科技 四證合一

·國內(nèi)首個通過德國萊茵TUV ISO 26262 ASIL D功能安全流程認(rèn)證

·國內(nèi)第一個獲得德國萊茵TUV ISO 26262 ASIL B 產(chǎn)品認(rèn)證的車規(guī)處理器

·一次性通過所有AEC-Q100可靠性認(rèn)證項目

·國內(nèi)首批獲得國密商密產(chǎn)品認(rèn)證

審核編輯 ：李倩