為我們生活中的主要“樞紐”之一——汽車，尤其是它的娛樂(lè)系統(tǒng)——提供信息和娛樂(lè)的戰(zhàn)斗正在進(jìn)行中。2014 年 1 月在拉斯維加斯舉行的國(guó)際消費(fèi)電子展以及底特律車展的氣氛非常樂(lè)觀，預(yù)計(jì)產(chǎn)量將在 2012 年生產(chǎn)的 8400 萬(wàn)輛汽車和商用車之后創(chuàng)下歷史新高。開(kāi)發(fā)人員面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一是選擇正確的硬件/軟件組合。與我們生活的其他領(lǐng)域一樣，主要的戰(zhàn)斗是在 Apple、Google 和開(kāi)源 Linux 之間展開(kāi)。蘋(píng)果去年 6 月宣布了“車內(nèi) iOS”計(jì)劃。谷歌于 2014 年 1 月宣布與奧迪、通用、本田、現(xiàn)代、和 NVIDIA 以簡(jiǎn)化與 Android 的集成并標(biāo)準(zhǔn)化 Android IVI 系統(tǒng)。2009 年，作為一個(gè)非營(yíng)利性行業(yè)聯(lián)盟，GENIVI 聯(lián)盟成立，致力于推動(dòng)車載信息娛樂(lè) （IVI） 開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)的廣泛采用。然后是微軟的 Windows Embedded Automotive OS 和 QNX 作為黑莓的一部分。

所有這些舉措的定義特征是消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)，通過(guò)作為硬件抽象層的操作系統(tǒng) （OS） 與他們的實(shí)現(xiàn)完全分離。這導(dǎo)致了兩個(gè)挑戰(zhàn)：軟件驗(yàn)證在其執(zhí)行的硬件環(huán)境中的障礙，以及設(shè)計(jì)鏈中不同開(kāi)發(fā)人員如何交互的非常具體的需求。

設(shè)計(jì)鏈

一般來(lái)說(shuō)，消費(fèi)電子設(shè)計(jì)鏈包含五種主要的公司類型，這些公司類型涉及電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。首先，IP 提供商向半導(dǎo)體公司提供一些構(gòu)建模塊，例如處理器或圖形內(nèi)核、連接到芯片接口的外圍模塊以及片上互連。例如，具有特定汽車功能的 USB 和以太網(wǎng)本身并沒(méi)有為芯片開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)差異化，而是作為預(yù)定義模塊獲得更好的許可，而不是使用可用于有效區(qū)分芯片設(shè)計(jì)的寶貴開(kāi)發(fā)資源。

其次，半導(dǎo)體公司提供的芯片是我們汽車傳感器的核心，在我們計(jì)算步數(shù)的手腕上，在我們的手機(jī)中，在保存我們信息的服務(wù)器內(nèi)部，以及在使用我們的手機(jī)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)置在車載電話中，或在車內(nèi)使用以太網(wǎng)進(jìn)行有線連接。

第三，系統(tǒng)公司構(gòu)建了這條鏈中涉及的實(shí)際設(shè)備——腕帶、手機(jī)和保存信息的服務(wù)器。在這種特殊情況下，為您提供腕帶以收集運(yùn)動(dòng)和睡眠行為的系統(tǒng)公司可能會(huì)運(yùn)行保存信息的服務(wù)器來(lái)運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析，無(wú)論是它們自己還是使用基于云的服務(wù)提供商的商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。

第四，獨(dú)立軟件供應(yīng)商通過(guò)在 Android、Linux 或商業(yè)操作系統(tǒng)（如 iOS 和 Windows Mobile）上運(yùn)行的工具為支持這一場(chǎng)景的軟件做出貢獻(xiàn)。

最后，有必要的無(wú)線和有線基礎(chǔ)設(shè)施由位于鏈頂端的網(wǎng)絡(luò)提供商運(yùn)行，并通過(guò)啟用支持上述交互的設(shè)備直接與最終用戶交互。

圖 1 概述了汽車設(shè)計(jì)鏈中的其他復(fù)雜性。這些系統(tǒng)非常復(fù)雜，以至于有兩種系統(tǒng)制造商——生產(chǎn)汽車的實(shí)際 OEM 和采用半導(dǎo)體組件（也包含許可 IP 和 SoC 子系統(tǒng)）并將它們集成到板級(jí)子系統(tǒng)中的一級(jí)供應(yīng)商（電子控制單元（ECU））。

圖 1：第 1 層到 OEM 設(shè)計(jì)鏈和軟件職責(zé)。

圖 1 還概述了軟件開(kāi)發(fā)的相對(duì)所有權(quán)。提供實(shí)際汽車的汽車原始設(shè)備制造商更注重應(yīng)用和用戶體驗(yàn)。一級(jí)供應(yīng)商和子系統(tǒng)集成商專注于面向任務(wù)的中間件，而一級(jí)供應(yīng)商專注于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)、ECU 抽象和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序。作為其半導(dǎo)體可交付成果的一部分，半導(dǎo)體公司需要提供基本的抽象層軟件，例如 MCU 抽象 MCAL。由于需要能夠在不同的 MCU 和 ECU 之間靈活移植軟件，因此開(kāi)發(fā)了 AUTOSAR（汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)）等標(biāo)準(zhǔn)，以提供基礎(chǔ)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)汽車軟件、用戶界面和管理的基于組件的開(kāi)發(fā)適用于所有應(yīng)用程序域。

汽車開(kāi)發(fā)技術(shù)

沒(méi)有一個(gè)單一的芯片和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)引擎，無(wú)論是基于硬件的還是基于軟件的，都可以滿足硬件和軟件驗(yàn)證所需的所有使用模型和用戶需求。通常只有引擎的組合才能幫助用戶最有效地應(yīng)對(duì)他們的驗(yàn)證和軟件開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)。在寄存器傳輸級(jí) （RTL） 芯片的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)表示被開(kāi)發(fā)之前，虛擬原型可以允許基于硬件的事務(wù)級(jí)模型進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。對(duì)于 RTL 執(zhí)行，用戶可以在實(shí)際芯片可用之前使用仿真、仿真和基于 FPGA 的原型設(shè)計(jì)。

硬件-軟件依賴關(guān)系可能很復(fù)雜，并且嚴(yán)重影響從單元級(jí)別到系統(tǒng)級(jí)別的上市時(shí)間。畢竟，汽車產(chǎn)品的上市時(shí)間也越來(lái)越短，而汽車系統(tǒng)需要符合 ISO 26262 等標(biāo)準(zhǔn)并在各個(gè)級(jí)別進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試。這些依賴關(guān)系還跨越設(shè)計(jì)鏈中的不同層——半導(dǎo)體 IP 需要遵守并在 SoC 環(huán)境和系統(tǒng)環(huán)境中工作，以及在集成處理器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)中訪問(wèn)它的軟件驅(qū)動(dòng)程序。

例如，考慮測(cè)試功能齊全的 10/100/1000M 汽車以太網(wǎng) MAC。用戶將要求諸如嵌入式實(shí)時(shí)時(shí)鐘、時(shí)間戳單元和對(duì)音頻/視頻橋接 （AVB） 的硬件支持等功能，包括優(yōu)先排隊(duì)和流量整形，這使得以太網(wǎng)適用于汽車電子。他們將需要不同的接口，包括 RMII、RGMII 和 SGMII，以連接到片外 PHY 和符合 AHB 或 AXI4 的 DMA 總線主控片上接口進(jìn)行控制。獲取 IP 時(shí)，用戶會(huì)期望獲得適當(dāng)?shù)能浖绨?qū)動(dòng)程序的軟件堆棧以及用于虛擬原型設(shè)計(jì)的事務(wù)級(jí)模型 （TLM）。

為了測(cè)試軟件和硬件是否正確交互，可以混合使用虛擬和基于 RTL 的環(huán)境，以利用兩全其美——軟件執(zhí)行速度和 RTL 準(zhǔn)確性。混合 TLM/仿真環(huán)境允許將在仿真上運(yùn)行的所有模塊的準(zhǔn)確 RTL 與在虛擬處理器模型上運(yùn)行的固件混合，例如集成在虛擬平臺(tái)中的 ARM Cortex-R4 內(nèi)核。TLM 和 RTL 世界使用 Accellera 的 SCE-MI 標(biāo)準(zhǔn)連接。所有的 MAC 都可以通過(guò) ARM 處理器進(jìn)行配置，可以設(shè)置優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，并且可以使用各種數(shù)據(jù)檢查來(lái)比較 MAC 之間數(shù)據(jù)流量的發(fā)送和接收。由于高度可控性，如果連接了 ARM DS-5 Development Studio，則可以使用 Lauterbach T32 等調(diào)試器將測(cè)試代碼和測(cè)試包動(dòng)態(tài)預(yù)加載到設(shè)計(jì)中。所有信號(hào)和總線都可以在運(yùn)行時(shí)全速跟蹤，并將跟蹤數(shù)據(jù)寫(xiě)入控制臺(tái)和/或文件，從而實(shí)現(xiàn)高效的硅前測(cè)試。

此外，Broadcom 和 NVIDIA 等公司已經(jīng)表明，相同的混合環(huán)境（用于處理器子系統(tǒng)上的軟件執(zhí)行的 TLM 和執(zhí)行其余硬件的仿真）非常適合向軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)公開(kāi)準(zhǔn)確的硬件。這使得操作系統(tǒng)的啟動(dòng)速度提高了 60 倍，軟件執(zhí)行速度提高了 10 倍，這一切都在實(shí)際芯片可用之前完成。

圖 2 顯示了一些硅前軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的最佳點(diǎn)，包括 TLM/仿真組合，它允許 IP 供應(yīng)商、半導(dǎo)體供應(yīng)商、一級(jí)供應(yīng)商、OEMS 和他們的軟件開(kāi)發(fā)人員在很早之前就提出操作系統(tǒng)和軟件對(duì)硅的承諾。這樣的環(huán)境不僅允許設(shè)計(jì)鏈中更有效的交互和更早、更有效的軟件啟動(dòng)，它們還可以顯著提高功能安全性，可以根據(jù) ISO 26262 等標(biāo)準(zhǔn)定義測(cè)試過(guò)程。

圖 2：不同硬件-軟件開(kāi)發(fā)引擎的最佳點(diǎn)。

高效的汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)鏈中成功的汽車開(kāi)發(fā)依賴于有效和高效的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。TLM/仿真流程等方法可以在硬件環(huán)境一成不變之前啟用操作系統(tǒng)和軟件。這樣的過(guò)程減輕了上市時(shí)間的壓力，并導(dǎo)致設(shè)計(jì)滿足對(duì)汽車行業(yè)至關(guān)重要的功能安全要求。

審核編輯：郭婷