關(guān)于整車(chē)電子電氣架構(gòu)的討論，不管是在行業(yè)論壇還是企業(yè)內(nèi)部，這兩年已經(jīng)非常多了。從傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)，到現(xiàn)在大家正在做的功能域架構(gòu)，再到之后的中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)和區(qū)域控制器架構(gòu)，這種趨勢(shì)基本是行業(yè)內(nèi)共同的認(rèn)知。

網(wǎng)關(guān)作為車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)交互的前哨，在面對(duì)電子電氣架構(gòu)的升級(jí)，以及整車(chē)OTA管理、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等越來(lái)越重視的趨勢(shì)下——據(jù)IHS Market預(yù)測(cè)，到2022年，OTA將為全球汽車(chē)行業(yè)節(jié)省350億美元，也必然會(huì)發(fā)生了巨大的變化以應(yīng)對(duì)不對(duì)復(fù)雜的需求。當(dāng)前以MCU為主控芯片的傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)難以滿(mǎn)足越來(lái)越復(fù)雜的功能需求，需要新一代智能網(wǎng)關(guān)來(lái)支持這些功能的部署。

意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ST)作為汽車(chē)半導(dǎo)體重要的供應(yīng)商之一，為了滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)日益增長(zhǎng)的功能和安全需求，展示了一種基于MCU+MPU的智能網(wǎng)關(guān)解決方案，如圖1所示。

其中TCU(Telematics Control Uint)是遠(yuǎn)程信息處理控制單元，其借助4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云端與車(chē)輛之間的數(shù)據(jù)上傳和下載，而SMARTGATEWAY(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為SGP)是采用的MCU+MPU的方案，其中MPU主要負(fù)責(zé)整車(chē)OTA更新管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、預(yù)測(cè)性維護(hù)、入侵檢測(cè)、本地到云端的通信安全、域控制器間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互等，MCU負(fù)責(zé)CAN和LIN總線(xiàn)的管理以及不同局域網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)ECU的數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)。


圖1 ST智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)解決方案


圖2 SGP的MCU+MPU硬件架構(gòu)

該方案優(yōu)勢(shì)在于提供了雙ARM7核的數(shù)據(jù)能力，集成了軟硬件的HSM, ASIL-B 功能安全等級(jí)，同時(shí)支持Linux, QNX, AutoSAR 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，客戶(hù)可以輕松設(shè)計(jì)自己的OTA等應(yīng)用程序， 不改變硬件，即可以軟件定義網(wǎng)關(guān)的功能。

基于上述展示的系統(tǒng)解決方案，ST提供了兩套硬件方案，第一種為T(mén)CU與SGP獨(dú)立為兩塊電路板，兩者通過(guò)車(chē)載以太網(wǎng)進(jìn)行通信；第二種為T(mén)CU和SGP整合在一塊電路板。另外在軟件方面ST為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，性能分析和各種應(yīng)用程序示例的演示，同時(shí)也會(huì)提供相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)文檔，為開(kāi)發(fā)人員提供全方位的技術(shù)支持。

在電子電氣架構(gòu)不斷升級(jí)、網(wǎng)關(guān)軟件日趨復(fù)雜的背景下，ST作為一家重要的汽車(chē)半導(dǎo)體供應(yīng)商，其價(jià)值在于為產(chǎn)業(yè)鏈提供合適的MCU和MPU，并支持汽車(chē)技術(shù)不斷升級(jí)。

MCU系列

ST的MCU主要分為SPC5和Stellar兩個(gè)系列，如圖3所示。其中已經(jīng)量產(chǎn)的SPC5系列主要用作傳統(tǒng)ECU的主控芯片，例如BMS、VCU、DCDC等，而Stellar系列主要用作新架構(gòu)下域控制器的主控芯片，例如BDU、網(wǎng)關(guān)、ADAS、智能座艙等。


圖3 MCU兩大系列

基于Power內(nèi)核的SPC5系列又細(xì)分SPC56、SPC57、SPC58三大系列(如圖4所示)，分別采用90nm、55nm、40nm制程工藝，主頻覆蓋48MHz到200MHz，F(xiàn)lash覆蓋128KB到10MB。SPC5系列滿(mǎn)足從中低端到高端的不同汽車(chē)應(yīng)用，并且針對(duì)各種不同汽車(chē)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如SPC58NN、SPC58NE是專(zhuān)門(mén)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理、傳動(dòng)系統(tǒng)管理、BMS、充電機(jī)等應(yīng)用；SPC574S針對(duì)安全性能有更高要求的應(yīng)用，包括EPS、ESC、ABS及安全氣囊控制器等；而SPC58 Chorus(如圖5所示)，因?yàn)榫哂杏布踩KHSM/eHSM、支持CANFD和車(chē)載100Mb/1Gb以太網(wǎng)、最高滿(mǎn)足ISO26262 ASIL D等級(jí)系統(tǒng)需求、支持智能低功耗模式、腳對(duì)腳兼容等特性，其主要針對(duì)車(chē)身控制、高級(jí)駕駛員輔助、中、小型網(wǎng)關(guān)等應(yīng)用。


圖4 SPC5系列


圖5 SPC58 Chorus系列

值得一提的是，由于傳統(tǒng)的16位控制器，或者是中低端控制器，對(duì)32位芯片的需求越來(lái)越高，基于市場(chǎng)上這樣的需求，ST決定將SPC56的生命周期從之前承諾的15年，延長(zhǎng)至20年，盡可能滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。

為了方便開(kāi)發(fā)人員快速上手SPC5系列芯片，ST提供了豐富的軟件、開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)板等資源支持，如圖6所示，包括AUTOSAR MCAL、SafetyPack、Security Pack、SPC5 Studio、不同需求的評(píng)估板、軟件社區(qū)等。

其中最值得一提的是SPC5 Studio，其集成了SPC5系列的各種應(yīng)用成熟示例，以及開(kāi)源IDE eclispe，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)集成的示例來(lái)熟悉芯片的外設(shè)使用，另外芯片各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)也只需通過(guò)配置即可實(shí)現(xiàn)，極大的方便了開(kāi)發(fā)人員快速掌握芯片的使用。

另外ST也與眾多第三方工具廠(chǎng)商有良好的合作，例如AUTOSAR提供商Vector、ETAS、EB以及國(guó)內(nèi)的普華軟件等，編譯器提供商Hightec、Green Hills、Windriver等，調(diào)試器提供商PLS、勞德巴赫、PE、SEGGER等，Security提供商escrypt、EB、ARILOU、ARGUS等。Stellar系列MCU相較于SPC5系列，性能有跳躍式的提升。Stellar集諸多創(chuàng)新于一身，包括擁有6個(gè)ST參與開(kāi)發(fā)的Cortex R52內(nèi)核，采用28nm FD-SOI制造工藝和片上相變存儲(chǔ)器(PCM)，主頻最高達(dá)500MHz。與此同時(shí)，Stellar還實(shí)現(xiàn)了功耗最小化，即使在惡劣的高溫環(huán)境下也能保持極低的功耗。


圖6 SPC5系列生態(tài)

另外為了方便客戶(hù)從SPC5系列升級(jí)至Stellar系列，Stellar芯片在設(shè)計(jì)之初就考慮與SPC58系列的兼容性，如圖7所示，具體體現(xiàn)在：

1、在供電方面，Stellar保留了對(duì)5V和3.3V的支持，并且與SPC58一樣具有集成式SMPS穩(wěn)壓器的單電源保持能力，另外Stellar擁有額外的模式，以提高其靈活性；

2、模擬IP得到了改進(jìn)，使兩者可以兼容，并且軟件接口一直保持先后兼容；

3、大多數(shù)數(shù)字外設(shè)(例如GTM)、IO外設(shè)等無(wú)需更改即可重復(fù)使用，或者通過(guò)完全向后兼容進(jìn)行升級(jí)。


圖7 Stellar與SPC58的兼容性對(duì)比

MPU系列

在MPU方面，ST在智能網(wǎng)關(guān)方案中采用針對(duì)遠(yuǎn)程信息處理和連接應(yīng)用程序的Telemaco3P系列車(chē)規(guī)級(jí)處理器，內(nèi)嵌隔離式硬件安全模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示，擁有豐富的硬件資源，該系列具有以下特性：


圖8 Telemaco3P硬件架構(gòu)

1、擁有兩個(gè)功能強(qiáng)大的CortexA7核心，一個(gè)Cortex M3-200核心。其中CortexA7運(yùn)行POSIX(Linux、QNX)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)OTA數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和更新，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、安全啟動(dòng)、OTA管理軟件(如AirBiquity,RedBend等）等功能；Cortex M3-200用于運(yùn)行ClassicAUTOSAR，負(fù)責(zé)Boot管理、CAN通信等功能。

2、擁有豐富的通信接口，包括CAN、CANFD、Flexray、兩路千兆以太網(wǎng)、QSPI、UART等。其中兩路以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)一路與4G網(wǎng)絡(luò)模組相連，支持車(chē)輛與云端的數(shù)據(jù)上傳和下載，另一路與車(chē)身網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)域控制器間的數(shù)據(jù)交互或者是以太網(wǎng)刷寫(xiě)，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)完整的OTA刷寫(xiě)流程，另外該芯片支持外部擴(kuò)展DDR3內(nèi)存、NAND和NOR Flash等，用于支持大吞吐量的OTA數(shù)據(jù)緩存、性能提升等，如圖9所示。


圖9 Telemaco 3P豐富的通信接口

3、具有獨(dú)立的硬件安全模塊eHSM，支持豐富的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)加密算法(AES, RSA, ECC)，哈希加密算法以及定制化加密算法，例如對(duì)稱(chēng)算法中ECDSA-NIST ECC秘鑰的加載和導(dǎo)出，ECDSA-NIST ECC數(shù)字簽名和驗(yàn)證；AES-128、AES-256非對(duì)稱(chēng)算法；SHA-256、SHA-384、SHA-512哈希算法，具體支持的算法如圖10所示，除此之外ST還支持廠(chǎng)商定制加密算法。


圖10 加密算法

4、該系列最高支持ISO26262 ASIL B等級(jí)，并且ST可以為客戶(hù)提供相應(yīng)的測(cè)試文檔、軟件，支持客戶(hù)的功能安全認(rèn)證，如圖11所示。


圖11 功能安全支持

除了Telemaco 3P具有強(qiáng)大的硬件性能外，ST還提供了Telemaco3P模塊化信息服務(wù)處理平臺(tái)（MTP），為原型開(kāi)發(fā)提供一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)環(huán)境。該平臺(tái)集成了意法半導(dǎo)體汽車(chē)級(jí)多衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS Teseo定位芯片和航位推算傳感器，能夠直連CANFD、FlexRay、BroadR-Reach（100base-T1）等汽車(chē)總線(xiàn)和藍(lán)牙、Wi-Fi、LTE、V2X通信等選配模塊。

在生態(tài)支持方面，ST自身會(huì)提供像SPC5系列的一樣提供豐富的資源，支持客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，包括各種應(yīng)用程序示例、SecurityPack、Safety Pack、Cortex M3的RTOS和CAN協(xié)議棧等、Cortex A7的Linux和U-boot等、AUTOSARMCAL、各類(lèi)型的評(píng)估板等。

除了ST自身提供的資源外，第三方合作廠(chǎng)商也相當(dāng)豐富，如圖12所示，包括：

1、操作系統(tǒng)提供商QNX、GreenHills、Vector等；

2、軟件集成商VIRSCIENT、Tieto，值得一提的是Tieto的軟件研發(fā)服務(wù)部和ST正在開(kāi)發(fā)基于Telemaco3P平臺(tái)的下一代信息服務(wù)處理解決方案。Tieto幫助客戶(hù)集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種安全智能駕駛應(yīng)用。這些應(yīng)用將支持高吞吐量的無(wú)線(xiàn)連接、無(wú)線(xiàn)固件升級(jí)以及車(chē)間通信解決方案。

3、FOTA提供商Airbiquity、carota等；

4、V2X提供商Unex、Commsignia、Autotalks等；

5、安全服務(wù)提供商Karambasecurity、ARGUS、wolfSSl等。


圖12 Telemaco 3P 第三方生態(tài)以及ST自身的資源支持

以上針對(duì)ST面向智能網(wǎng)關(guān)以及其他不同領(lǐng)域的MCU和MPU進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。不管你是在開(kāi)發(fā)面向當(dāng)下的量產(chǎn)產(chǎn)品抑或者是面向未來(lái)的預(yù)研產(chǎn)品，ST都可以提供相應(yīng)的處理器支持，并且可以提供豐富的硬件和軟件資源，以及完善的第三方生態(tài)支持，幫助開(kāi)發(fā)人員快速上手。