芯驰科技E3系列车规MCU关键技术
10月18日，芯驰科技在智东西公开课开设的「芯驰科技汽车芯片系列公开课 · 车规MCU专场」已顺利完结，芯驰科技市场总监何旭鹏带来了主题为《缺芯潮下，国产车规MCU的创新与应用》的直播讲解。
何旭鹏老师首先从缺芯潮下MCU的国产替代机会和挑战讲起，之后结合关键技术、软件开发工具链、参考设计，以及ADAS和电池管理系统BMS应用方案等方面内容，对芯驰科技E3系列车规MCU进行了深入解读。
本次专场分为上中下三集，将从以下5个方面展开：
缺芯潮下MCU的国产替代机会与挑战
芯驰科技E3系列车规MCU介绍
芯驰科技E3系列车规MCU关键技术
E3系列MCU的工具链与参考设计
基于E3的ADAS及BMS应用方案介绍
本集内容为：
芯驰科技E3系列车规MCU关键技术
E3系列MCU的工具链与参考设计
芯驰科技E3系列车规MCU关键技术
这里介绍一些产品的关键技术。首先从内核谈起，E3内核的特点主要有以下几个：第一个特点是高功能安全，像有朋友在讨论区里提到的，Cortex-R5F也是一个ASIL D认证的IP，可以在ARM官网下载到相关的功能安全证书。芯驰E3整个系列都配置了Cortex-R5F内核，它的第一个特点是安全，第二个特点是高算力。高算力背后有两个原因，一是有多个可编程内核，比如E3600系列，最多是6个物理上的内核，最小可以配置成三对独立可运行的锁步内核；最大情况下，除一对锁步内核无法解开，其他的两对锁步核可以配置为4个独立可编程的内核，这样就可以获得总共5个独立的内核，芯片整体算力会得到提升。表格最后一行展示的是以KDMIPS为单位的算力，E3600系列未来还有800MHz主频的产品，算力可以达到8KDMIPS。
另外，部分双核锁步CPU可以被配置成锁步或独立运行模式，举例如ADAS控制器或者刹车控制器，这些ECU都有功能安全和非功能安全的算力需求，此时E3的CPU就可以由用户去配置为锁步内核和多个独立运行的非锁步内核，以满足应用的算力要求。
第三个特点是支持单指令多数据类的指令，这是Cortex-R5F带来的一个特点，也是提升运算效率的一个方式。再就是硬件FPU，提供一个硬件浮点单元。很多朋友可能会问，芯驰E3产品的算力很高，它有什么样的目标市场呢？我们在推广的过程中看到越来越多的ECU是有高算力需求的。举个例子，首先实现厘米级高精度定位的定位盒子P-Box，对于自动驾驶来说这是一个非常重要的ECU，这类ECU需要对越来越多的卫星数据的矩阵计算，需要大容量存储和大算力来完成实时定位运算，这一部分很多时候会用到E3400，甚至E3600系列来做产品开发。目前，我们有多个P-Box项目在研，正是发挥了E3高算力的特点。
此外，现在很多ECU集成了更多的传统ECU功能，比如某项目是底盘的域控制器，里面可能有BMS、网关、车身控制、VCU等，这些功能集成在一起之后，对MCU的算力要求将会显著提高。
第一个关键技术是存储架构。芯驰E3存储架构的特点首先是容量很大，刚才提到了E3640最大有4MB SRAM，但是整颗芯片中可用的SRAM大于4MB。因为每一对锁步内核上有128KB TCM，这是更靠近内核的一个更快SRAM，它可以做普通的SRAM使用。如果计及TCM，再把RAM的ECC部分（不需要ECC时可作为普通RAM使用）也算进去，整个SRAM会超过5MB。
第二个关键技术是有高性能的指令和数据缓存，这两部分对于Cortex-R5F内核是非常重要的。我们跑过一些典型应用，比如电机驱动或者网关，发现在这些实际应用场景中缓存的命中率是非常高的，经常可以达到99%及以上的水平，这意味着大部分的数据、指令访问，都是在高速缓存范围内完成了，所以CPU性能会非常高。并且根据我们的理解，绝大部分的ECU应用运行下来都会得到非常高的缓存命中率。而对于希望能准确的执行并避免缓存miss的工况，关键代码可以放在TCM里完成，整个执行会有更高的确定性。
另外，各级存储基本都有ECC和Parity保护，整体具有功能安全设计。除了每一种存储有ECC保护以外，各个存储内部的总线还有端对端的保护，整个存储架构是十分安全的。
其他重要特点还包括可扩展的外部存储器，芯驰叫XSPI接口。它最多可以跑到200MHz时钟、8根数据线、DDR模式，最大实现每秒400MB/s的串行存储扩展。这个接口扩展的存储器是memory mapped，可以直接把代码或者数据放在其中运行，大部分情况无需把外部Flash中的程序放到RAM里运行。这个存储接口还可以支持数据加密并在线解密执行程序。
大家可能也会有疑问，为什么要把MCU产品的存储做得这么大？为什么需要可扩展的存储接口？主要原因在于很多应用会有越来越大的数据量。以区域控制器为例，很多产品都会用到10MB以上的Flash存储，随着未来ECU产品集成度提高、更复杂的功能被集成，存储一定会继续增长。如果有个可扩展的存储，会使这一切变得更加灵活。比如做一个产品升级，算力是足够的，但Flash空间不够，换一个板级引脚兼容的Flash就可以解决。
第三个关键技术是E3产品所集成的外设与功能模块。下面介绍下外设层面值得提出的点：首先是CAN-FD和LIN接口非常多，CAN-FD最多有24路，LIN最多16路，这样的配置对未来的集中式电子电气架构是非常重要的，可以让控制器便捷的接驳各类传感器和执行器。我们已经看到了一些客户做区域控制器时，用到的CAN和LIN在25路左右的水平，这是未来一两年会上车的控制器产品，可以看到这一类产品的演化非常快。
FlexRay是一个重要的通信接口，有时可以作为ECU间的备份通信路径，当两个区域控制器之间的以太网通信出现单点故障时，可以作为备份。集中化汽车电子电气架构中的域控制器通常将以太网作为主干网络，芯驰的E3产品里面绝大多数都配有以太网，最多包含两个千兆以太网模块，支持TSN。TSN是比较重要的，特别是在ADAS相关的应用领域里，可用于实现传感器数据和控制信号的时间同步。比如一个激光雷达，其传递到ADAS控制器的数据就需要做时间同步，E3支持TSN的一系列协议，具体可以参考芯驰技术参考手册上的相关介绍。
以太网在未来的集中式电子电气架构中，也会作为一个主干网络而存在，现在能看到的一些域控制器中以太网已经用到了百兆，未来千兆的情况也会很快的进入应用阶段，因为数据量会越来越大。
对于软件定义汽车或者SOA架构的开发，TSN也扮演着十分重要的作用。SOA中一个应用的功能会由很多的服务组成，由不同的ECU完成，这个过程中需要一个时间逻辑上的同步，TSN就是相关实现所需的关键模块。
接口外设如USB，在特定的应用中是比较重要的。比如一个液晶仪表，USB可以更方便的下载资源、进行调试。还有SPI，由于汽车中越来越多的外部器件是串行化的，E3最多有8个SPI模块，每个模块有4个片选，可以支持较多的节点满足板级系统连接需求。
下面是两个实时控制相关的外设，E3芯片内部集成了高性能的SAR ADC，采样率能达到2MSPS，内部有三个独立的SAR内核，可以做同步采样。同时，会支持多达48个vwin 通道，另外还有专门的IO可以受到ADC模块的控制，去选通外部的模拟开关，自动实现模拟通道拓展。同时，E3有4个模拟比较器可以做快速的保护，该保护的响应时间是非常快的，在实时控制相关的应用发挥着非常重要的作用。实时控制的外设刚才提到了eTimer和ePWM，可以实现数字量的输入输出，可以最高支持到64个通道。
第四个关键技术是信息安全。信息安全模块不只是硬件安全模块，也包含了安全存储、干扰检测器和eFuse。
硬件安全模块里包含了一个RISC-V信息安全内核和一系列信息安全相关的硬件加速引擎，可以分为几大类：公钥。对称加密、哈希和真随机数。除了这些传统的算法以外，国密SM2/3/4/9也被包含到了硬件加速引擎当中，整个芯片计划过国密二级的认证。
其中比较重要的部分是eFuse，eFuse可用于烧写独特的ID或密钥。eFuse有两个比较典型的应用，第一种是使用外部的Flash存储器并需要在外部Flash存储器里直接执行程序，但这时不希望外部存储器里的程序是对外可见的，这时可以把它加密，然后把密钥存在芯片内部的eFuse里，外部存储器中的程序可以直接在线的解密并得到执行。这样整个代码的安全，知识产权安全得到了保护。
第二周，它里面可以用来做安全启动的密钥，在启动时会读取对应的区域，对固件进行验签，校验通过后执行代码。这样可以保证运行的固件是经过认证的，芯驰有安全启动的相关方案，具体会提到怎样配置eFuse。
存储这部分，有专门针对加密算法运行过程中的公钥和私钥做的安全存储，安全存储在内部有一个专门的RAM区域，外部无法访问。这样的区域，可以在检测到外部攻击，比如对电源和时钟的攻击，或者在一些安全原则被违反的情况下，自动销毁秘钥，这部分功能由干扰检测器实现。
另外一点是安全启动有速度上的要求，有很多人会要求安全系统启动后在一定时间内能收发CAN报文，芯驰已经有一个相关的方案，并且实测下来性能是比较好的，也间接说明了整个HSM吞吐率是比较不错的，能满足典型应用的要求。
关于安全区域，整个信息安全模块通过mailbox进行访问，而我们的密钥，比如eFuse里存储的密钥，只能通过硬件引擎去访问，其他的程序代码是无法接触到的，这样的机制也保证了信息安全能达到比较高的水平。
最后一项关键技术是功能安全。功能安全是个比较复杂的话题，首先介绍下芯驰的功能安全输出物，芯驰一直将功能安全作为重要目标，友商功能安全相关的软硬件文档芯驰都会有。安全手册，包括了各个模块的安全机制和实现方法的描述，配套也会有一个功能安全软件，这个软件会提供一些范例，告诉大家怎么实现这些功能性机制。
另外，我们还会提供AUTOSAR软件，一些核心模块也会做ASIL D级别的功能安全认证，为系统集成者实现系统功能安全的助力。芯驰还会提供FMEDA表单，客户可以根据你所用的安全模块和所采取的安全机制，计算诊断覆盖率和PMHF，评估达到什么样的功能安全等级，也是做终端产品的功能安全认证所必须的输出物。最后，我们会有产品功能安全证书提供。
E3系列MCU的
工具链与参考设计
这张表里放了E3系列最关键的工具链和生态组件，先从软件看起，软件方面芯驰一直是维护了两套软件系统：第一个是汽车里非常流行的AutoSAR MCAL，由芯驰非常有经验团队进行开发，既包括了MCAL驱动，也包括了复杂驱动CDD，这些都属于AutoSAR软件的重要组成部分。
这一套AutoSAR MCAL软件释放以后，芯驰和国内外的AutoSAR供应商做了适配，国内的包括普华、东软睿驰、恒润，国外包括Vector、ETAS、EB等都已经做了一定程度的适配，有些第三方工具成熟度已经接近于量产水平。多家厂商为芯驰提供了AutoSAR评估包，有需要的客户可以购买评估包。
另一套软件是SSDK。芯驰是提供了一套BSP软件或者说基于FreeRTOS驱动库，它的重要意义在于如果一个新的硬件要做一些调试和校验可以比较快的上手，它可以直接接触到底层做一些寄存器配置。SSDK软件也同样适用于不需要AutoSAR的客户进行项目量产。
显示中间件部分芯驰也和当前流行的库做了适配，包括QT for MCU和LittleVGL。
再就是大家关注的集成开发环境，这部分芯驰还在适配更多的厂商，现在有IAR和Greenhills是可以用的，也得益于芯驰采用Cortex-R5内核，在IAR的工具中，可以找到支持到功能安全ASIL D级别的工具链，非功能安全的工具链也是可以作为一个选项去获取。同时，整套工具提供了一个代码编辑、调试、链接生成可执行文件等这一系列必要的软件工具。
往下是参考设计，是按照车规级A样标准设计的应用参考板。评估板是一个相对低成本的最小系统，把绝大部分的资源引出，可以供客户搭建自己的原型机。
文档不再详细介绍，数据手册和技术参考手册是最基本的文档。其他文档也有很多，比如软件开发包的使用手册、硬件设计手册、还有各个应用相关的手册，比如OTA相关的、信息安全相关的应用手册，在芯驰支持系统上都有提供。
接下来是E3显示参考设计。上图显示了两个比较重要的参考设计，这些参考设计的硬件设计资料、软件包还有说明文档，都是可以在芯驰支持系统里直接下载到的。上图左上角展现的是参考设计中核心的板卡，而周边的一些配件并没有放在图片中。
该参考设计面对的是几个显示类的应用，像是2D液晶仪表，抬头显示控制器和电子后视镜，电子后视镜是指车左右两边的外电子后视镜。该板卡上贴了E3340具有显示多媒体模块的 MCU，它可以通过串行器输入摄像头的数据也可以做视频数据的接入；视频输出有 LVDS接口和 RGB接口直接推屏。
同时，板卡上有一些高性能的车规接口，包括1000Base-T1口、USB口和CAN-FD口。刚才也提到了USB在显示类应用中下载素材做OTA或者更换仪表等主题，作为一个下载更新的介质入口具有独特的优势。
板卡上还有电机驱动和音频功放，可以搭建一个仪表的体系。另外，板卡还有32bit的SRAM作为一个显示buffer使用。特别提到的是显示参考设计已经升级到了第二代，上图左下角展现的是第一代，第二代产品有几个比较激动人心的demo，比如1920×720能跑到60帧的2D液晶仪表，这是最新推出的一个方案，在业界做到比较高的水平。因为E3内部有硬件扭曲引擎，可以把指针刷到比较高的频率，实现效果会比较好，未来会有视频和demo提供给客户。
同时，我们还在部署高分辨率的电子后视镜，比如1080P、720P的电子后视镜方案，会适配不同的显示屏和摄像头来满足客户的需求。以上显示类的参考设计的一个概况。
第二个是E3网关、电动力总成、域控制器参考设计，这一块面向的是刚才提到的车身域控及域控型网关、电动力总成、域控制器。域控制器不限于ADAS或者底盘域控，这里是一个又大又全的域控参考设计。
板卡贴了E3640 MCU，接口上留了把两路1000Base-T1，同时也预留了一个100Base-TX，可以方便我们去调试，还有丰富的CAN-FD/LIN接口，引出了很多模拟输入通道，包括了PWM、SENT和数字输入，板卡载有高级边驱动的芯片，这些驱动接口也被预留了出来，他们对于车身控制器是一个比较基础的模块，同时芯片还贴了MCP，有HyperFlash和HyperRAM存储，可以同时给E3640芯片扩展RAM和Flash。
该参考设计，可以去做电机FOC的评估、Benchmarking以及通信相关的压力测试，比如CAN-FD自环、以太网自环的压力测试，现在这块参考板按照 A样级别设计的，怎么理解？使用12V的供电，板卡上的接口和芯片以及PCB都是车规选型，整个板子可以做EMC实验、高低温实验，也可以装车接口连接，做一些功能验证。该设计有助于客户快速上手做自己的应用，它们也在不断更新迭代中。
关于芯驰科技
芯驰科技专注于为未来智慧出行提供高性能、高可靠的车规芯片，是国内首个“全场景、平台化”的芯片产品与技术解决方案提供者。
芯驰科技产品和解决方案覆盖智能座舱、智能驾驶、中央网关和高性能MCU四大业务，涵盖了未来汽车电子电气架构最核心的芯片类别，从而实现“四芯合一，赋车以魂”。芯驰的车规芯片已实现大规模量产，服务客户超过260家，覆盖中国90%以上的车厂。
关于芯驰科技 四证合一
·国内首个通过德国莱茵TUV ISO 26262 ASIL D功能安全流程认证
·国内第一个获得德国莱茵TUV ISO 26262 ASIL B 产品认证的车规处理器
·一次性通过所有AEC-Q100可靠性认证项目
·国内首批获得国密商密产品认证
审核编辑 ：李倩
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原文标题：芯驰公开课丨缺芯潮下，国产车规MCU的创新与应用 （中集）
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