01.引言

當(dāng)智能汽車(chē)以120km/h的速度疾馳時(shí)，每一毫秒的計(jì)算延遲都可能關(guān)乎生命安全。在理想汽車(chē)星環(huán)OS(HaloOS)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，MCU芯片承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的"神經(jīng)中樞"角色——它必須在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)，精準(zhǔn)完成從傳感器數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)決策到執(zhí)行器控制的全鏈路處理。

作為HaloOS 的智控首發(fā)平臺(tái)和核心MCU供應(yīng)商，芯馳科技的E3650芯片正是為這樣的極致要求而生。今天，我們將揭秘E3650如何通過(guò)創(chuàng)新的性能與架構(gòu)設(shè)計(jì)，為智能汽車(chē)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的算力基礎(chǔ)。

02.為什么智能汽車(chē)需要高性能MCU?

在傳統(tǒng)汽車(chē)電子系統(tǒng)中，MCU主要處理相對(duì)簡(jiǎn)單的控制任務(wù)。但在智能汽車(chē)時(shí)代，系統(tǒng)復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)：

?多傳感器融合

需要同時(shí)處理來(lái)自雷達(dá)、攝像頭、超聲波等多路傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

? 復(fù)雜算法執(zhí)行

從簡(jiǎn)單的PID控制升級(jí)到復(fù)雜的融合算法、決策邏輯和預(yù)測(cè)模型。

?嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)性要求

在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的延遲都可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

03.E3650的多核異構(gòu)架構(gòu)：為實(shí)時(shí)而生

3.1 架構(gòu)總覽

E3650采用業(yè)界領(lǐng)先的多核異構(gòu)架構(gòu)，針對(duì)不同的實(shí)時(shí)需求進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)：

? 高性能Cortex-R52+主核

?高算力強(qiáng)實(shí)時(shí)R52+集群，行業(yè)同等級(jí)最高主頻600MHz

?支持鎖步模式(Lockstep)，滿(mǎn)足ASIL-D功能安全要求

?專(zhuān)為實(shí)時(shí)控制優(yōu)化，中斷響應(yīng)延遲低至納秒級(jí)

? 多功能Cortex-R5輔助核心

?超強(qiáng)算力信息安全CPU，吞吐率倍數(shù)于競(jìng)品的硬件加速器，硬件支持國(guó)密算法

?低功耗CPU，極致的運(yùn)行/靜態(tài)功耗，支持豐富的喚醒源

? 硬件加速單元

?SSDPE硬件通信引擎，CAN/CANFD轉(zhuǎn)發(fā)不占用CPU

?雙路GBit以太網(wǎng)(TSN)，支持硬件環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，可節(jié)省Switch芯片

3.2 實(shí)時(shí)性能指標(biāo)

基于E3650的架構(gòu)特性，在HaloOS的實(shí)際應(yīng)用中，我們測(cè)得以下關(guān)鍵性能指標(biāo)：

04.內(nèi)存架構(gòu)：消除性能瓶頸

再?gòu)?qiáng)的 CPU，如果沒(méi)有高效的內(nèi)存系統(tǒng)支撐，也會(huì)成為"巧婦難為無(wú)米之炊"。E3650在內(nèi)存架構(gòu)上做了精心設(shè)計(jì)。

4.1 TCM(緊耦合內(nèi)存)

緊耦合內(nèi)存(TCM，Tightly Coupled Memory)是E3650實(shí)時(shí)性能的第一道保障。

? 核心特性

?每核獨(dú)享128KB

避免總線競(jìng)爭(zhēng)，訪問(wèn)延遲為零等待周期(2個(gè)多功能核各自具有 64KB TCM);

? 直連CPU核心

物理位置緊鄰處理器，數(shù)據(jù)路徑最短;

?無(wú)緩存干擾

不經(jīng)過(guò)Cache，訪問(wèn)時(shí)間100%確定;

? 典型應(yīng)用場(chǎng)景

在HaloOS中，可將所有ASIL-D級(jí)別的控制代碼和中斷向量表都部署在TCM中，確保最壞情況執(zhí)行時(shí)間(WCET)的絕對(duì)可預(yù)測(cè)性。

4.2 IRAM：片上"高速公路網(wǎng)"

片上SRAM (IRAM)是E3650的第二層內(nèi)存體系，提供了大容量的的高速存儲(chǔ)空間。E3650的IRAM控制器支持ECC功能，可工作在兩種模式：

模式一：ECC使能(安全優(yōu)先)：

?數(shù)據(jù) RAM + ECC RAM：采用(64，8)漢明碼;

?單比特糾錯(cuò)+雙比特檢測(cè)(SECDED);

?每 64 位數(shù)據(jù) RAM 配備 8 位 ECC RAM，總計(jì)提供額外的 1/8 空間用于ECC;

?適用場(chǎng)景：功能安全要求高的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ);

?模式二：ECC禁用(容量?jī)?yōu)先)

?純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：ECC RAM空間可轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)RAM使用，提供額外的存儲(chǔ)空間;

?適用場(chǎng)景：對(duì)容量需求大、安全等級(jí)要求相對(duì)較低的應(yīng)用;

4.3 CRAM：權(quán)限管理的"智能網(wǎng)關(guān)"

在汽車(chē)芯片領(lǐng)域，談到片上存儲(chǔ)，大家最熟悉的莫過(guò)于上述的 IRAM(Internal RAM)。但芯馳E3650采用的CRAM(Coherency RAM)卻遠(yuǎn)不止是一塊簡(jiǎn)單的內(nèi)存，它更像是一位智能管家，不僅提供存儲(chǔ)空間，還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全、訪問(wèn)控制和錯(cuò)誤防護(hù)。

傳統(tǒng)MCU的IRAM就像一個(gè)"公共倉(cāng)庫(kù)"：任何有權(quán)限的模塊都能隨意讀寫(xiě)，沒(méi)有區(qū)域劃分，也缺乏數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。這在功能安全要求日益嚴(yán)苛的汽車(chē)電子領(lǐng)域，已經(jīng)難以滿(mǎn)足需求。

芯馳E3650的CRAM則完全不同。它在保留高性能直接訪問(wèn)特性的同時(shí)，引入了安全管控能力，讓片上存儲(chǔ)真正成為系統(tǒng)安全架構(gòu)的一部分。

優(yōu)勢(shì)一：分區(qū)管理

CRAM 支持將內(nèi)存劃分為8個(gè)獨(dú)立區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有獨(dú)立的起止地址和訪問(wèn)權(quán)限配置。這就像把一個(gè)大倉(cāng)庫(kù)改造成了帶門(mén)禁的分區(qū)儲(chǔ)藏室，在一顆運(yùn)行AUTOSAR的汽車(chē)ECU中，您可以這樣規(guī)劃：

?區(qū)域0-1：存放安全域的關(guān)鍵算法和密鑰，僅允許安全核心讀寫(xiě)

?區(qū)域2-3：存放應(yīng)用層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖，允許應(yīng)用核心訪問(wèn)

?區(qū)域4-5：診斷數(shù)據(jù)區(qū)，允許診斷服務(wù)讀取但禁止寫(xiě)入

?區(qū)域6-7：預(yù)留給OTA升級(jí)臨時(shí)數(shù)據(jù)

優(yōu)勢(shì)二：多維權(quán)限控制

CRAM引入了4級(jí)權(quán)限體系：

?安全域(SEC) vs 非安全域(NSE)

?特權(quán)模式(PRI) vs 用戶(hù)模式(USER)

每個(gè)區(qū)域的訪問(wèn)權(quán)限可以獨(dú)立配置為：禁止訪問(wèn)、只寫(xiě)、只讀、讀寫(xiě)四種模式。CRAM區(qū)域規(guī)劃示例如下，這種設(shè)計(jì)確保了即使座艙系統(tǒng)的某個(gè)第三方App存在漏洞，也無(wú)法竊取ADAS系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)或篡改安全核心的密鑰。

4.4 片上非易失性存儲(chǔ) eNVM

芯馳E3650集成專(zhuān)為車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能非易失性存儲(chǔ)解決方案，提供了16.5MB的非易失存儲(chǔ)能力。支持雙區(qū)架構(gòu)及 A/B 分區(qū)啟動(dòng)、安全啟動(dòng)等關(guān)鍵特性，HaloOS可輕松應(yīng)用E3650實(shí)現(xiàn)安全的OTA升級(jí)。

?ECC錯(cuò)誤保護(hù)：

?支持ECC檢錯(cuò)機(jī)制和記錄錯(cuò)誤地址;

?對(duì)于可糾正的ECC錯(cuò)誤，硬件自動(dòng)重試讀取直到數(shù)據(jù)正確或達(dá)到最大重試次數(shù);

?重試次數(shù)可配置，并提供重試成功計(jì)數(shù)器;

?HSM安全鏡像區(qū)域：

?專(zhuān)為硬件安全模塊(HSM)預(yù)留高安全鏡像區(qū)域;

?支持HSM密鑰區(qū)域保護(hù)，僅允許HSM讀取或HSM核心在特定信號(hào)下寫(xiě)入;

4.5 IRAM_LP：低功耗域的"守夜人"

相比通用的 IRAM，IRAM_LP 不僅在低功耗模式下可用，更可提供靈活的容量禁用機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)分級(jí)功耗控制，支持用戶(hù)實(shí)現(xiàn)分場(chǎng)景功耗策略，運(yùn)行模式全開(kāi)，待機(jī)模式部分禁用，深度睡眠大幅禁用。

?000: 128KB全開(kāi)啟(高性能模式)

?001: 禁用16KB，保留112KB(性能優(yōu)先)

?010: 禁用32KB，保留96KB

?011: 禁用48KB，保留80KB

?100: 禁用64KB，保留64KB(平衡模式)

?101: 禁用80KB，保留48KB

?110: 禁用96KB，保留32KB

?111: 禁用112KB，僅保留16KB(極致省電)

4.6外部XSPI接口(擴(kuò)展串行外設(shè)接口)

E3650集成了業(yè)界領(lǐng)先的XSPI(擴(kuò)展串行外設(shè)接口)控制器，為系統(tǒng)提供靈活高效的外部存儲(chǔ)擴(kuò)展能力。XSPI是Hyperbus接口的超集，支持Hyperflash和HyperRAM設(shè)備訪問(wèn)，同時(shí)兼容標(biāo)準(zhǔn)的SPI Flash設(shè)備。

? 核心特性：

?多通道架構(gòu)

支持雙通道1/4/8位數(shù)據(jù)線SPI flash和HyperRAM，每通道支持2個(gè)片選引腳，可同時(shí)連接多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備

? 高帶寬支持

支持8位數(shù)據(jù)線flash和HyperRAM，提供更高的數(shù)據(jù)吞吐率

?靈活的數(shù)據(jù)率

支持SDR(單倍數(shù)據(jù)率)和DDR(雙倍數(shù)據(jù)率)模式，適應(yīng)不同性能需求

?XIP模式

支持XIP(就地執(zhí)行)模式，CPU可直接從外部Flash執(zhí)行代碼，無(wú)需先加載到RAM

? 高級(jí)特性

?智能預(yù)取機(jī)制

支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)取，多個(gè)專(zhuān)用主組(Master Group)和1個(gè)共享組，大幅提升連續(xù)訪問(wèn)性能

? 內(nèi)聯(lián)AES128加密

支持內(nèi)聯(lián)AES128保護(hù)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中實(shí)時(shí)加解密，確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全

?加密密鑰管理

內(nèi)置加密密鑰管理功能，支持多個(gè)密鑰存儲(chǔ)和管理，滿(mǎn)足功能安全要求

?主從通信模式

支持主從通信模式，可實(shí)現(xiàn)XSPI控制器之間的互聯(lián)

? 典型應(yīng)用場(chǎng)景

?外設(shè)擴(kuò)展

可搭配芯馳 E3010 擴(kuò)展芯片，靈活拓展 SPI、PWM捕獲、PWM輸出、ADC等多種數(shù)字、模擬接口

? 啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)

將啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)在外部Flash，支持XIP直接執(zhí)行，節(jié)省寶貴的片上存儲(chǔ)資源

?固件更新存儲(chǔ)

存儲(chǔ)備用固件和配置數(shù)據(jù)，支持安全的在線升級(jí)

?日志記錄存儲(chǔ)

利用大容量外部存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志和診斷數(shù)據(jù)

通過(guò)智能預(yù)取和緩存管理，XSPI接口可以有效降低外部存儲(chǔ)訪問(wèn)延遲，提升系統(tǒng)整體性能。在DDR模式下，配合8位數(shù)據(jù)寬度，可以達(dá)到極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)外部存儲(chǔ)的苛刻要求。

4.7 確定性?xún)?nèi)存訪問(wèn)

在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，內(nèi)存訪問(wèn)的確定性比平均性能更重要。E3650通過(guò)以上硬件機(jī)制保證：

?獨(dú)占訪問(wèn)路徑

TCM可設(shè)置為每核獨(dú)占，避免總線競(jìng)爭(zhēng);

? 優(yōu)先級(jí)仲裁

內(nèi)存總線支持優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先訪問(wèn);

?緩存鎖定

關(guān)鍵代碼可鎖定在緩存中，避免不確定的緩存miss;

這些設(shè)計(jì)確保了在最壞情況下，內(nèi)存訪問(wèn)延遲依然可控，滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)分析的要求。

05.總結(jié)與預(yù)告

E3650的高性能多核架構(gòu)為HaloOS的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的算力基礎(chǔ)：

? 多核高算力：強(qiáng)大且確定的實(shí)時(shí)計(jì)算能力

? 硬件調(diào)度支持：極低開(kāi)銷(xiāo)的任務(wù)切換和優(yōu)先級(jí)管理

? 多層次內(nèi)存：消除內(nèi)存瓶頸，確保訪問(wèn)確定性

性能只是芯片的一個(gè)維度。在下一期文章中，我們將深入探討E3650如何通過(guò)功能安全設(shè)計(jì)和冗余機(jī)制，確保即使在極端故障情況下，系統(tǒng)依然能夠安全可控。

在汽車(chē)電子領(lǐng)域，安全永遠(yuǎn)是第一位的。敬請(qǐng)期待!

關(guān)于芯馳

芯馳科技是全場(chǎng)景智能車(chē)芯引領(lǐng)者，專(zhuān)注于提供高性能、高可靠的車(chē)規(guī)芯片，覆蓋智能座艙和智能車(chē)控領(lǐng)域，涵蓋了未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)最核心的芯片類(lèi)別。

芯馳擁有超200個(gè)定點(diǎn)項(xiàng)目，服務(wù)260余家客戶(hù)，覆蓋國(guó)內(nèi)90%以上主機(jī)廠及多家國(guó)際主流車(chē)企，包括上汽、奇瑞、長(zhǎng)安、東風(fēng)、一汽、日產(chǎn)、本田、大眾、理想等。目前，芯馳全系列芯片均已量產(chǎn)，累計(jì)出貨量突破900萬(wàn)片，搭載于130余款主流車(chē)型。

五大認(rèn)證 放芯馳騁

·德國(guó)萊茵TüV ISO 26262 ASIL D功能安全管理體系認(rèn)證

·AEC-Q100 Grade 1/Grade 2可靠性認(rèn)證

·德國(guó)萊茵TüV ISO 26262 ASIL B/D 功能安全產(chǎn)品認(rèn)證

·德國(guó)萊茵TüV ISO/SAE 21434汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)安全管理體系認(rèn)證

·工商總局、國(guó)家密碼管理局國(guó)密信息安全雙認(rèn)證