瑞萨多核汽车电子应用解决方案

瑞萨多核汽车电子应用解决方案中心议题：
    * 瑞萨的汽车用MCU
    * 多核技术
    * 发动机和变速箱控制
    * 图形仪表板
    * 网间连接器
    * 数字式汽车音响

瑞萨的汽车用MCU

瑞萨的汽车用MCU已有25年以上的历史，在世界汽车用MCU中占有20%以上的市场份额。瑞萨的汽车用MCU被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Aisin和Denso等世界主要的汽车电子制 造商所采用。这些汽车电子制造商的产品又被世界上的众多汽车制造商所采用。对汽车来说，质量和性能最为重要，汽车制造商、汽车电子制造商对瑞萨的汽车用 MCU所具备的高质量、高性能给予了很高的评价。由于取得了这些实际成绩，瑞萨又从当时尚未使用瑞萨产品的汽车电子制造商那里获得了许多贸易合同，这些汽 车电子制造商正在使用瑞萨的汽车用MCU进行汽车电子产品的开发。下面将介绍应用于32位MCU的新产品的解决方案。

多核技术

最终决定汽车“智能”的是MCU和MPU的 基本性能。PC和服务器的MPU的消耗功率随着CPU的高速化而增加并达到极限，虽然向多核化发展的向量变了，但这对于汽车用的高端MCU和MPU还是一 样的。汽车用MCU的使用环境很严苛，需要在高温下工作。例如，发动机ECU当初置于车厢内，而现在被安装到发动机舱中，要在温度为125 ℃的环境下工作。所以，必须把它的发热量控制到比PC等小得多。频率自然是有上限的，在压低频率的同时又使性能提高的方法就是多核技术。瑞萨对控制器和处 理器分别采用SH-2A和SH-4A两个多核化方法来开发新产品。

图1 Multi-Core在汽车电子中的应用形式

另 一个与PC的不同之处是在汽车用MCU和MPU中，PC那样的对称多处理SMP（Symmetric Multi-Processing)还不能满足全部的必要条件。图1是多核技术在汽车电子中的一般应用形式。发动机和变速箱控制、刹车和转向控制、车辆协 调、多媒体等各自所需的多核形式和处理方式与图1所示的有所不同。例如，发动机和变速箱控制采取双核方式时，要作为两个互不干预的实时控制系统进行工作， 就应当采用不对称多处理AMP(Asymmetric Multi-Processing)。任务的分配采取程序指定方式。另外，趋向于by-wire方式的刹车和转向控制要使二个内核完全相同地工作，以保证 系统的冗余性。这就必需采取能够对二个内核的工作状况进行比较监视的结构形式。为此，瑞萨在刹车和转向控制用MCU的SH-2A内增添了Lock- Step Dual功能。这种功能如图2所示，它在经常对2个CPU的工作状况进行比较的同时，还双工地对DMA控制器和外围用总线桥的工作状况进行比较监视。

图2 SH-2A Lock-Step Dual功能

发动机和变速箱控制

汽车的尾气排放是造成空气污染和地球变暖等的原因之一。因此，汽车产业一直在为尽量 减少并净化所排放的尾气而努力。减少尾气排放的最主要方法是使燃料高效地转化为旋转动力，传送给车轮。用更少的燃料得到更大的旋转动力，就可以节省燃料费 用。为了实现这一目标，必须要有精度高的动力系。动力系由发动机、离合器、变速箱、差动齿轮和驱动轴等构成，发动机和变速箱用ECU进行电子式的控制。为 了进行复杂的控制需要高速执行大规模的控制算法，ECU必需能够高速工作，并且内置大容量快速擦写存储器的微型计算机。而且，近来要求ECU在用于发动机 控制时，要安装到高温的发动机舱内；而在用于变速箱控制时，要安装到高温的润滑油中。都必须能够在125℃条件下稳定工作。

瑞萨以前供应的内置有SH-2E的SH705x系列已被许多汽车制造商使用。

现 在则供应内置有SH-2A(是比SH-2E更高档次的内核)的SH725xx系列，正被许多汽车电子制造商用于新产品开发，预计今年到明年就会开始应用于 实际运行的汽车上。现在档次最高的是SH72544R型产品，它的工作频率为200 MHｚ，内置有2.5 MB的Flash存储器、具备128 KB数据保存用EEPROM功能的Flash存储器、128 KB SRAM、用于实现发动机控制的高性能定时器ATU-III、3通道CAN，可应用于未来的发动机和变速箱的电子控制。Flash MCU首次采用90 nm工艺，提高了工作频率，并且扩大了内置Flash存储器的容量。

今后，动力系电子控制的复杂性将提高得越来越快。为了适应这一趋势，可以采用安装有2个SH-2A的多核SH-2A-Dual 来实现高性能化。

图形仪表板

汽车的仪表板上安装有各种仪表和显示器，还有对驾驶员起警示作用的警示灯和报警蜂鸣器。以前是使用机械式的速度计、燃料存量表和里程表，而现在的仪表板大都是用步进马达和LCD构成。最近，更有中、高档车装上了在大型LCD上显示汽车诊断信息、安全信息等内容的仪表板。

现在人们关注的是能够显示更多信息的图形仪表板。图形仪表板可以分为两类，一类是在原有采用步进马达驱动的仪表上增加TFT-LCD图形显示的仪表板，另一类是不使用仪表那样的可动零部件，而所有内容都用大型TFT-LCD图形仪表板显示。

同 时使用仪表和TFT-LCD的图形仪表板应选择价格不太高的中型QVGA或WQVGA尺寸的TFT-LCD。TFT-LCD上显示驾驶员容易看清的汽车诊 断信息、安全信息的同时，又可以利用软件切换显示汽车倒退时拍摄到的后方图像，还可以用箭头表示目的地的方向，提供简易型导航功能，所以它可以提高驾驶员 的辨别能力，明显改善安全性。在欧洲，各汽车制造商已经做了计划，不仅仅限于高档车，中档车也要使用这种仪表板。制造这种仪表板必需采用高速处理技术，要 使用速度为100 MHz以上的32位微型机。瑞萨为该应用提供了32位微型机SH7262和SH7264，现在正在供应样品，并且将于今年5月开始生产。由于内置有144 MHｚ 32位SH-2A CPU、图形与视频显示用的视频显示控制器和视频输入端口、能够双面保持WVGA（480×240像素）TFT-LCD用帧缓冲器的1 MB SRAM等，因此可以大大减少外接元器件。SH7262虽然没有内置控制步进电机的PWM定时器，但与驱动步进电机的廉价仪表板用MCU组合，就可以构成 多种功能各异的仪表板。SH7264内置有4个控制步进电机的PWM定时器，所以用一个就能构成完整的仪表板。

使用SH7264的图形仪表板的一个构想如图3所示，可以看到它的外接元器件很少。还有使用SH7264的仪表板演示系统，为了便于用户进行开发，提供仪表板演示软件、图像资料库，将位映像数据变换为RGB输出的转换器等的软件。

图3 使用SH7264的图形仪表板的一个构想

完整的图形仪表板的TFT-LCD和控制电路价格高昂，估计还要过一些时候才会有更多的汽车安装使用它。

网间连接器

现在的汽车有车身控制、安全（气囊）、动力系、多媒体子系统及多个用于故障诊断的网络在工作，目前这些子系统主要使用CAN连接。而且，今后随着通信量的不断增加，要采取既能提高CAN的波特率又可以增加通道数的办法。

因 此，向更高速的10 Mb/s FlexRay演进是汽车网络未来的主要发展方向。但是，汽车网络要有极高的可靠性，必需进行各种各样的技术评价。就目前来说，实际应用到汽车中的还非常 有限。所以，在FlexRay普及之前，CAN将唱主角，现在的问题是如何增加它的通道数以适应需要。实际上，高档车所使用的CAN，通道数约5条。另一 方面，如果从拓扑学的观点来看CAN，主要瓶颈就在于各通路交叉点的网间连接器的处理能力。

为了适应这一状况，瑞萨提供 R32C/145组作为CAN的网间连接器用MCU。如图4所示，R32C/145使接收部分硬件化，进行6通道CAN的路由选择。1～2通道CAN通常 用软件来处理网间连接器，但是，一旦通信量增加，就不能用软件处理而必需要用硬件。利用硬件化的方法能够在20 μs之内实现消息中继，与此同时就可使软件负担减少70 %以上。R32C/145也符合汽车用标准软件开发联盟AUTOSAR规定的网间连接器的软件规格。

图4 采用R32C/145的CAN网络微控制器

今后，瑞萨还打算开发能与FlexRay和MOST等兼容的网间连接器用的MCU。

数字式汽车音响

多 核SH-2A-Dual正被逐步推广应用于高端数字汽车音响。SH7265安装有2个工作频率为200 MHz的SH-2A，具备480MIPS×2的处理能力。如图5所示，其中的一个CPU用来处理硬盘，与此同时另一个CPU用来处理媒体系统，就是所设想 的不对称并行处理(AMP)。SH7265除了安装USB2.0(高速)主机外，还内置有能适应各种格式的声音软资料库和AAC编码器。编码器因为其所使 用的规格种类和内容包含有变化的部分，所以用软件来完成；从工作效率的角度考虑，编码器还是用硬件构成才是上策。

图5 SH726功能概述

如上所述，瑞萨可为汽车电子的许多方面提供理想的MCU和技术支持。