開發(fā)適用于下一代汽車的汽車網(wǎng)關

本文作者：德州儀器(TI) 汽車處理器業(yè)務發(fā)展經(jīng)理 Subbu Venkat

汽車架構(gòu)正在快速演進，車輛逐步從半自動駕駛向最終的完全自動駕駛發(fā)展。汽車制造商還加入了多種功能，例如智能訪問、車輛共享、預測性維護、車輛跟蹤、車隊管理和空中 (OTA) 升級，以增強互聯(lián)能力和車載通信。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行處理，并在 CAN、LIN 和高速網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）等接口之間安全可靠地進行通信。因此，汽車制造商正在重新評估汽車網(wǎng)關和遠程信息處理控制單元系統(tǒng)（TCU）的架構(gòu)。

汽車網(wǎng)關

汽車網(wǎng)關是一種核心功能為在車輛內(nèi)安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。車輛中可以存在多種網(wǎng)關：中央網(wǎng)關和域網(wǎng)關（或域控制器）。

中央網(wǎng)關可以在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 應用等多個域之間安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

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

與域網(wǎng)關相比，中央網(wǎng)關通常需要更強的處理性能、更多的接口和更高帶寬的網(wǎng)絡協(xié)議。圖 1 說明了如何在車輛中實現(xiàn)這兩種類型的網(wǎng)關。

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)功能，連接到

此連接技術使得緊急呼叫 (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。

互聯(lián)網(wǎng)和云的汽車變得越來越普遍。 

圖1 示例SoC架構(gòu)，具有一個中央網(wǎng)關和兩個域網(wǎng)關

共享汽車、用手機訪問取代遙控鑰匙、車隊管理和跟蹤、保險提供商遠程監(jiān)控駕駛習慣以及汽車經(jīng)銷商遠程監(jiān)控車輛狀況以安排預防性維護（如更換機油）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其他車輛、基礎設施（如交通信號燈）甚至他人進行通信，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) 和車對基礎設施 (V2I) 以及車對人 (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，遠程信息處理技術（Telematics）可將汽車與外界聯(lián)系起來。圖 2 通過圖示對遠程信息處理進行了說明。

另一個新興趨勢是車輛能夠與其他車輛、基礎設施（如交通信號燈）甚至他人進行通信，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) 和車對基礎設施 (V2I) 以及車對人 (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，遠程信息處理技術（Telematics）可將汽車與外界聯(lián)系起來。圖2通過圖示對遠程信息處理進行了說明。

圖2 遠程信息處理（Telematics）示例

不斷發(fā)展演進的網(wǎng)關和 TCU 需要應用處理器

汽車網(wǎng)關處理器通常是 32 位微控制器 (MCU)，具有內(nèi)置存儲和常用的網(wǎng)關接口，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、本地互聯(lián)網(wǎng)絡 (LIN) 和 FlexRay^TM 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傳輸大量數(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，以應對更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。由于 TCP/IP 是消費者領域中公認的通信協(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，其風險更低。

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

互聯(lián)能力是實現(xiàn) OTA 更新娛樂內(nèi)容和其他服務（如共享汽車/拼車應用和遠程車輛訪問）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)關或其他域 ECU。在當前的架構(gòu)中，調(diào)制解調(diào)器和處理器集成在單個半導體器件中。但是，由于調(diào)制解調(diào)器標準在不斷發(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)關和 TCU 都在向由應用處理器支持的基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡遷移，該應用處理器。

具有 PCIe 等高速連接外設支持，并具有強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行的所有相關軟件），即可將 ECU 快速遷移到新的調(diào)制解調(diào)器標準。

隨著汽車互聯(lián)性和自主性的提高，安全與防護在汽車網(wǎng)關和 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)可以幫助保護對車輛安全密鑰的訪問，增強通信通道的安全性，并確保可信軟件更新不被用于網(wǎng)絡攻擊。安全功能通常在經(jīng)安全認證的分立 MCU 中實現(xiàn)。集成了應用處理器和安全 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

如前文所述，網(wǎng)關和 TCU 系統(tǒng)在功能方面正變得越來越復雜。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/型號的供應商均可避免此項成本。

OEM 和一級供應商可以借助 Jacinto^TM DRAx 系列汽車處理器來節(jié)約開發(fā)成本，該系列處理器可提供可擴展且軟件互相兼容的平臺，有助于滿足下一代網(wǎng)關和 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），幫助增強整個車輛的連接性。

這些處理器還經(jīng)過專門設計，集成了片上 MCU 子系統(tǒng)，以幫助滿足 TCU、應用處理器和汽車網(wǎng)關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 是一款高性能的 SoC，它集成了多個計算和處理核心，使得汽車網(wǎng)關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（如 USB-3、集成 PCIe 交換機和千兆以太網(wǎng)交換機）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 處理器還包括一整套傳統(tǒng)的汽車外設，例如 CAN-FD、LIN 和 MOST。對于安全關鍵型應用，DRA829 器件通過集成的高安全性模塊 (HSM) 支持安全引導和運行時環(huán)境。此外，DRA829V 處理器還提供了各種計算能力和外設組合，可為多種汽車網(wǎng)關提供成本優(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，同時它還具有全系列兼容且可擴展的軟件開發(fā)套件 (SDK)，從而使得 OEM 可以在其產(chǎn)品系列中集成和重用設計成果，最終降低開發(fā)成本。有了統(tǒng)一的軟件，汽車制造商便能夠縮小成本高昂的軟件研發(fā)投資規(guī)模，并通過其整個中央網(wǎng)關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)關系統(tǒng)

汽車網(wǎng)關和 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傳輸大量數(shù)據(jù)。配備集成 MCU 子系統(tǒng)、應用處理器和高速 I/O 功能的可擴展 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 的可擴展硬件和軟件互相兼容 DRA8x SOC 系列有助于滿足新網(wǎng)關和 TCU 架構(gòu)的需求，從而幫助降低系統(tǒng) BOM 成本和汽車網(wǎng)關的開發(fā)成本。