當(dāng)今競爭激烈的汽車市場要求車輛能夠提供卓越的駕駛特性、低油耗以及最新的舒適功能和便利性，例如帶記憶功能的座椅系統(tǒng)、無鑰匙進(jìn)入、集成導(dǎo)航以及駕駛員輔助。幸運的是，制造商可以通過嵌入式微控制器 （MCU） 提供的智能來滿足這些需求，這使他們能夠在中端甚至經(jīng)濟(jì)模型中提供高級功能。

　　汽車環(huán)境帶來了許多挑戰(zhàn)。設(shè)備必須滿足嚴(yán)格的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。它們必須在很寬的溫度范圍內(nèi)（通常為 –40°C 至 125°C）保持穩(wěn)健，提供靜電放電 （ESD） 保護(hù)和低電磁干擾 （EMI）。現(xiàn)代線控車輛要求設(shè)備與各種協(xié)議兼容，包括控制器局域網(wǎng) （CAN） 總線和本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 標(biāo)準(zhǔn)。

　　汽車領(lǐng)域 MCU 的兩個關(guān)鍵活動領(lǐng)域包括車身電子和網(wǎng)關(guān)模塊。車身電子設(shè)備包括 HVAC、照明（內(nèi)部和外部）、座椅定位、后視鏡調(diào)節(jié)和安全/安全功能，例如無鑰匙進(jìn)入、防盜鎖和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。其中許多任務(wù)，例如保持客艙內(nèi)的設(shè)定溫度，都在幾分鐘而不是微秒的時間尺度上運行。因此，Silicon Labs Inc. 的 C8051F52xA 和 C8051F53xA 等 8 位 MCU可以提供有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案，尤其是對于廉價汽車而言。

　　C8051F5xxA 系列符合汽車電子委員會標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q100 的汽車應(yīng)用要求，配備 25 MIPS 8051 CPU，以及可編程 24.5 MHz 內(nèi)部振蕩器，在 -40°C 的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在 ±0.5% 以內(nèi)至+ 125°C。（圖1）。這些器件包括 8 kB 片上閃存和 256 字節(jié)片上 RAM。一系列集成功能，包括可編程比較器、穩(wěn)壓器和片上溫度傳感器，可降低成本和設(shè)計復(fù)雜性，同時加快產(chǎn)品上市時間。這兩款芯片的 I/O 端口數(shù)量不同，C8051F52xA 提供多達(dá) 16 個 I/O 端口，而 C8051F53xA 提供 26 個。

　　圖 1：8 位 C8051F5xxA 系列微控制器具有集成的可編程比較器、穩(wěn)壓器和片上溫度傳感器，可簡化設(shè)計。（由 Silicon Labs Inc. 提供）

　　在當(dāng)今高度網(wǎng)絡(luò)化的車輛中，系統(tǒng)級通信至關(guān)重要。C8051F5xxA 系列擁有專用的 LIN 2.0 控制器，可處理電動車窗等功能的低優(yōu)先級單向數(shù)據(jù)傳輸。同時，控制器可以通過車輛的 CAN 網(wǎng)絡(luò)與其他子系統(tǒng)連接。

　　32 位解決方案

　　傳動控制等動力總成應(yīng)用需要更高的處理速度和更強大的功能。在這里，像AT32UC3C這樣的 32 位 MCUAtmel Corp. 的家族可以提供有效的解決方案。AT32UC3C 基于 AVR32UC RISC 處理器，由一個完整的片上系統(tǒng)微控制器組成，在高達(dá) 66 MHz 的速度下提供 1.49 DMIPS/MHz。它具有高達(dá) 512 kB 的片上閃存和高達(dá) 64 kB 的片上 SRAM。數(shù)據(jù)接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地減少延遲（圖 2）。

　　圖 2：AVR32UC CPU 包括三個高速存儲器接口：一個高速總線主控器，每個用于指令獲取和數(shù)據(jù)訪問，加上一個高速總線從屬器，允許總線主控器訪問 CPU 內(nèi)部的 RAM。片上 RAM 可以最大限度地減少延遲。（由愛特梅爾公司提供）

　　該器件具有多種外設(shè)，包括一個 16 通道、12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個四通道、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。盡管外設(shè)構(gòu)成了 MCU 的主要優(yōu)勢，但管理它們會占用很大比例的 CPU，更不用說引入抖動和延遲。為了解決這些問題，AT32UC3C 將外圍設(shè)備與內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)連接起來。該方法允許芯片將事件從一個外設(shè)重定向到另一個外設(shè)或從輸入引腳重定向到外設(shè)。因此，它可以觸發(fā)諸如基于脈寬調(diào)制 （PWM） 波形的 ADC 捕獲等動作，而無需 CPU 干預(yù)，從而減少計算開銷并最大限度地減少延遲。

　　類似地，存儲器直接存儲器訪問控制器（MDMA）和外圍直接存儲器訪問控制器（PDCA）控制器可以分別在存儲器位置之間或存儲器位置與外圍設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)，而無需處理器的幫助。該方法釋放 CPU 以運行應(yīng)用程序或切換到空閑模式，從而節(jié)省電力。

　　高性能汽車安全

　　汽車應(yīng)用必須達(dá)到最高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。為了保護(hù)車輛和操作員，AT32UC3C 監(jiān)控其主時鐘。如果檢測到故障，它會切換到本地 115 kHz RC 振蕩器，該振蕩器既可以作為常規(guī)操作的備份，也可以支持關(guān)閉過程。看門狗定時器提供了額外的安全級別，允許系統(tǒng)在啟動期間監(jiān)控性能以確保正常運行。此類計時器通常通過軟件運行，這帶來了在應(yīng)用程序代碼損壞的情況下它們可能無法提供故障安全中斷的威脅。為了防止這種類型的故障，例如檢測系統(tǒng)是否陷入循環(huán)，AT32UC3C 集成了一個窗口看門狗定時器——如果操作不在用戶定義的窗口內(nèi)發(fā)生，

　　駕駛員輔助功能需要多核 MCU 可能最好支持的高速操作（請參閱之前的 TechZone SM文章“多核 MCU 提供新的嵌入式選項。”）。多核 MCU 可用于同構(gòu)（多個相同的內(nèi)核）或異構(gòu)（多個不同的內(nèi)核）架構(gòu)，允許用戶分而治之的處理任務(wù)。這些設(shè)備提供更高的計算密度和靈活性。每個內(nèi)核可以執(zhí)行不同的操作，同時共享內(nèi)存并與其他內(nèi)核交換數(shù)據(jù)。內(nèi)核甚至可以在不同的操作系統(tǒng)上運行。也許最重要的是，多核 MCU 支持多線程進(jìn)行并行處理；讓設(shè)計師可以自由地管理他們認(rèn)為合適的任務(wù)。

　　與多核計算平臺一樣，多核 MCU 可以使用管理程序進(jìn)行虛擬化，以允許動態(tài)分配內(nèi)存和處理能力。與使用管理程序在給定內(nèi)核上提供多個服務(wù)器的計算環(huán)境不同，嵌入式系統(tǒng)可能會虛擬化單個硬件，例如，允許多個系統(tǒng)組件通過它進(jìn)行通信。如果使用得當(dāng)，多核 MCU 可以整合多個單控制器的操作，降低成本和尺寸，同時最大限度地提高功率和效率。德州儀器

　　的TMS570 _為用戶提供了具有同步運行的雙 ARM Cortex R4 內(nèi)核的同質(zhì)平臺或集成 Cortex R4 和 Cortex ARM M3 內(nèi)核的異構(gòu)平臺的選擇（圖 3a）。該異步設(shè)備符合 IEC 61508 安全完整性等級 3 （SIL3）（危險故障概率低于每小時10 -3 ），專為安全關(guān)鍵型汽車應(yīng)用而設(shè)計，例如駕駛員輔助。內(nèi)核以 160 MHz 的最高速度運行，提供優(yōu)于 250 DMIPS 的性能。高可靠性功能包括 CPU 邏輯和內(nèi)存的內(nèi)置自檢 （BIST）、循環(huán)冗余檢查器模塊和錯誤信號模塊（圖 3b）。

　　圖 3a：TMS570 具有鎖步內(nèi)核、內(nèi)置自檢和循環(huán)冗余檢查器模塊，符合 IEC 61508 安全完整性等級 3。（德州儀器公司提供）

　　圖 3b：為了消除潛在的常見故障模式，該設(shè)計在其中一個處理器中引入了延遲，然后比較輸出信號。（由 Texas Instruments 提供）

　　這些設(shè)備提供高達(dá) 2 MB 的片上閃存和高達(dá) 160 KB 的 RAM。外設(shè)包括 32 個 nHET 定時器通道和一對支持多達(dá) 24 個輸入的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。MCU 還包括一個兩通道 FlexRay 接口和最多三個 CAN 接口。

　　盡管我們還沒有實現(xiàn)專家們在 1990 年代中期預(yù)測的完全自動駕駛體驗，但即使是今天的低成本汽車也具有令人印象深刻的智能和功能程度。明天的汽車肯定會更加先進(jìn)，汽車工程師不會很快擺脫相互沖突的設(shè)計需求的擠壓。然而，憑借單核和多核 MCU 提供的功能，它們能夠應(yīng)對挑戰(zhàn)。