Spansion MCU：革新車載儀表板顯示技術(shù)

　　市場(chǎng)對(duì)于成本非常敏感，但要求設(shè)計(jì)人員尋找可擴(kuò)展的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)車載電子系統(tǒng)的ISO26262和安全性要求。質(zhì)量、穩(wěn)定性、功能安全性、數(shù)據(jù)安全性、低功耗等是主要指標(biāo)。從成本的角度而言，多個(gè)領(lǐng)域的顯示和半導(dǎo)體技術(shù)均提供合理的價(jià)格，如LCD和TFT、圖形處理器和控制單元、傳感器、LED模塊、內(nèi)存等。

　　MCU配有一個(gè)抑制擺幅差分信號(hào)（RSDS）接口，它允許控制器連接廉價(jià)顯示屏，從而降低物料清單（BOM）成本。除了圖形功能之外，SoC還應(yīng)支持儀表板中所需的其它功能，例如，直接驅(qū)動(dòng)至少6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中包括支持零點(diǎn)檢測(cè)和發(fā)聲功能，后者可以通過(guò)單音調(diào)的低成本音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)。

　　通過(guò)不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，所有這些組件的性價(jià)比變得越來(lái)越高，讓我們能夠?qū)FT顯示屏應(yīng)用到中、低端儀表板上，因?yàn)楝F(xiàn)在有高性能的單芯片解決方案不僅提供更多功能，而且也節(jié)省了空間和成本。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何為汽車儀表板或HUD 應(yīng)用找到正確的單芯片解決方案？讓我們對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)探討。

　　集成功能

　　開(kāi)發(fā)人員需要集硬件、軟件、工具和服務(wù)于一身、并能幫助他們滿足上述要求的解決方案。很多控制器采用ARM內(nèi)核，并內(nèi)置2D圖形引擎。它們包含所需的安全功能，可滿足當(dāng)前的低功耗需求，而且遵從汽車行業(yè)的質(zhì)量和可靠性的高標(biāo)準(zhǔn)。使用一個(gè)通用內(nèi)核架構(gòu)的控制器具備代碼兼容性，而且一系列廣泛的基于ARM® Cortex的控制器可讓用戶繼續(xù)使用他們喜愛(ài)的開(kāi)發(fā)工具，從而縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少工作量。

　　節(jié)省空間和成本的一個(gè)方法就是選用配備嵌入式閃存或RAM－而非外置內(nèi)存－的MCU和SoC（參見(jiàn)圖1）。取決于具體應(yīng)用，采用一個(gè)性能至少為200 DMIPS的主處理器可能更好。汽車電子應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)通常擁有很多中斷和分支，對(duì)片上閃存的無(wú)等待周期的直接代碼訪問(wèn)能夠提升芯片性能以滿足這些應(yīng)用。對(duì)于圖形應(yīng)用以及那些運(yùn)行頻率比最大閃存頻率高得多的應(yīng)用而言，應(yīng)提供通過(guò)合理大小的緩存訪問(wèn)閃存。

　　圖1：Spansion的HyperFlash閃存將讀吞吐量提升至333 MB/s，是速度最快的Quad SPI閃存的5倍，引腳數(shù)是并行NOR閃存的三分之一。此外，它還能節(jié)省空間和成本。面向混合顯示屏的SoC能夠控制傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，連接車載網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)顯示屏。

　　隨著混合式儀表板和HUD進(jìn)入中端市場(chǎng)，并在將來(lái)進(jìn)入低端市場(chǎng)，一個(gè)高質(zhì)量的2D圖形引擎將是SoC的一個(gè)關(guān)鍵功能。開(kāi)發(fā)人員面臨同時(shí)提高圖形儀表板的運(yùn)行速度和性價(jià)比的挑戰(zhàn)。內(nèi)置圖形處理能力的單芯片解決方案是最佳選擇。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該尋找這樣的系統(tǒng)，其中像素處理（位塊傳輸操作）、旋轉(zhuǎn)、縮放、漸變等主要的圖形處理功能在硬件中加速，不需要在軟件中處理。一個(gè)命令序列器或者圖形子系統(tǒng)中的另一個(gè)內(nèi)核將能實(shí)現(xiàn)圖形和CPU內(nèi)核的并行操作，從而提升系統(tǒng)的總體性能。

　　當(dāng)今的高速SPI接口在需要時(shí)可連接外置內(nèi)存，與早期的并行內(nèi)存相比，可節(jié)省電路板空間和成本。下一代版本將提高讀取速度和帶寬，同時(shí)減少引腳數(shù)和所占空間（參見(jiàn)圖2）

　　圖2：Spansion Titan MB9EF226內(nèi)置一個(gè)圖形引擎和快速片上閃存，從而大幅提升了緊湊、經(jīng)濟(jì)型控制器的性能。

　　另一個(gè)選擇是配備一個(gè)抑制擺幅差分信號(hào)（RSDS）接口，該接口允許控制器連接廉價(jià)顯示屏，從而進(jìn)一步降低BOM成本。除了圖形功能之外，SoC還應(yīng)支持儀表板中所需的其它功能，例如，直接驅(qū)動(dòng)至少6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中包括支持零點(diǎn)檢測(cè)和發(fā)聲功能，后者既可以是一個(gè)用于播放單音調(diào)的低成本音頻發(fā)生器，也可以是一個(gè)用于在外置設(shè)備上播放復(fù)雜聲音的I2S接口；當(dāng)然，還應(yīng)能通過(guò)CAN、MOST（MLB）或?qū)?lái)的Ethernet連接其它車載模塊。內(nèi)存占用應(yīng)考慮以下因素：除了應(yīng)用自身之外，控制器還必須運(yùn)行AUTOSAR和一個(gè)HMI工具引擎。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用一個(gè)Flash容量不低于1.5MB的產(chǎn)品。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
　　

　　功能安全性

　　除了以最高效的方式實(shí)現(xiàn)顯示功能之外，還必須滿足一些安全要求，才能確保能夠在需要時(shí)顯示正確的信息。例如，用于在儀表板上顯示檔位的應(yīng)用必須被設(shè)計(jì)為：寧可不顯示任何內(nèi)容，也不能顯示錯(cuò)誤檔位。支持該功能的一種方法是使用一個(gè)所謂的簽名單元，它為所顯示的圖像創(chuàng)建簽名。系統(tǒng)將這個(gè)所創(chuàng)建的簽名與將要顯示的正確圖像的預(yù)定義值進(jìn)行對(duì)比。系統(tǒng)能夠迅速檢測(cè)到故障，然后選擇顯示正確圖像，或者關(guān)閉錯(cuò)誤圖像。

　　為了滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將多項(xiàng)措施集成到MCU中，以防范可能損害功能的軟件問(wèn)題。近些年來(lái)，這種做法在ECU（引擎控制單元）領(lǐng)域中很常見(jiàn)，但在儀表板應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)該把哪些功能集成到MCU中的問(wèn)題。在開(kāi)發(fā)儀表板或HUD應(yīng)用時(shí)，為了能夠滿足汽車應(yīng)用的安全要求，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋找以下功能：

　　■ 內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）旨在防范其它功能執(zhí)行的錯(cuò)誤或意外覆蓋操作。一個(gè)MPU應(yīng)至少擁有12至16個(gè)配有不同權(quán)限（如讀、寫(xiě)、執(zhí)行權(quán)限等）的通道或區(qū)域。它是滿足汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）要求的一個(gè)基本功能；此外還有時(shí)序保護(hù)單元（TPU），該單元能夠控制正在運(yùn)行的任務(wù)，并在一定時(shí)間后終止它們。

　　■ 一個(gè)不太常見(jiàn)但卻強(qiáng)烈建議集成到設(shè)計(jì)中的功能就是所謂的外設(shè)保護(hù)單元（PPU）。您還需要保護(hù)外設(shè)區(qū)域，而PPU能夠讓您做到這一點(diǎn)。

　　隨著越來(lái)越多的虛擬內(nèi)容進(jìn)入儀表板，而且汽車的聯(lián)網(wǎng)程度變得越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)人員需要考慮如何保護(hù)車載網(wǎng)絡(luò)免遭黑客攻擊和其它攻擊。目前的安全要求已不能單靠軟件高效地得到滿足，各種設(shè)計(jì)需要在硬件中打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。硬件中的實(shí)現(xiàn)能夠讓您的系統(tǒng)具備更高的防篡改能力。

　　MCU需要防范未經(jīng)授權(quán)的讀取操作或?qū)﹂W存內(nèi)容的操縱，并防止應(yīng)用運(yùn)行期間受到操縱，實(shí)現(xiàn)安全的通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以搭建一個(gè)安全的車載網(wǎng)絡(luò)。例如，一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）模塊與簽名單元的工作原理類似，目的是防止篡改。Spansion提供一個(gè)片上硬件單元，它支持CRC，而且速度比軟件解決方案要快。我們的MCU還包含一個(gè)器件安全概念，它通過(guò)關(guān)閉外部接口和調(diào)試接口的訪問(wèn)功能，保護(hù)閃存免遭未經(jīng)授權(quán)的讀取。一個(gè)內(nèi)置的安全硬件擴(kuò)展（SHE）模塊為這個(gè)概念提供了進(jìn)一步的支持。

　　開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該牢記：安全性和可測(cè)試性成反比。這意味著，一旦關(guān)閉了硬件系統(tǒng)，某些測(cè)試就不再可能實(shí)現(xiàn)了。如果閃存100%禁止讀取操作，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，我們就不可能對(duì)比閃存內(nèi)容和原始軟件。因此，必須選擇能夠根據(jù)應(yīng)用的具體要求實(shí)現(xiàn)不同的安全等級(jí)的硬件。

　　在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球經(jīng)濟(jì)中，汽車制造商需要以更低的成本提供更多的功能：從傳動(dòng)到顯示，從信息顯示到儀表板。幸運(yùn)的是，新一代單芯片解決方案已經(jīng)誕生，并朝著40納米工藝的方向發(fā)展，擁有更高的性能和更大的存儲(chǔ)容量。它們將能實(shí)現(xiàn)分辨率更高、顯示屏更大、面向中低端汽車儀表板的更多圖形應(yīng)用。通過(guò)探索上述幾種選擇，開(kāi)發(fā)人員將能找到一個(gè)可滿足具體系統(tǒng)的要求的理想解決方案。