Первый автомобильный контроллер с блоком программируемой логики от Silicon Mobility

Фирма Silicon Mobility за пару лет прошла путь от стартапа до вполне серьезной компании, имеющей поддержку со стороны французского правительства. Причиной такого стремительного роста стала достаточно смелая идея по принципиально новой организации автомобильных интеллектуальных систем. Вместо постоянного увеличения производительности процессорных ядер Silicon Mobility предлагает устранять узкие места в каналах передачи данных за счет внедрения новейших технологий из области программируемых логических схем. Результатом такого подхода стал микроконтроллер OLEAT222-1005 – первый автомобильный контроллер с блоком программируемой логики.

Рис. 1.	LEAT222-1005 – первый автомобильный контроллер с блоком программируемой логики.

Интеллектуальная «вооруженность» современных автотранспортных средств постоянно растет. Ни один современный автомобиль не обходится без микропроцессорных блоков. При этом большинство производителей микропроцессоров для автомобильной отрасли предлагает использовать распределенную архитектуру вычислительных систем.

Традиционный подход предполагает наличие шинной топологии с множеством вычислительных блоков (Рис. 2). Производительность этих блоков может быть различной: от маломощных датчиков (давления, температуры и т. д.) до сверхпроизводительных центральных модулей управления. Такая асимметрия объясняется тем, что центральные блоки используются в основном для вычислений. Функции непосредственного сбора информации перекладываются на датчики, а функции прямого взаимодействия с исполнительными механизмами берут на себя интеллектуальные драйверы. Для этого как драйверы, так и датчики строятся на базе микроконтроллеров с набором требуемой периферии (таймеры, ШИМ-контроллеры, АЦП, ЦАП, энкодеры и т. д.). Взаимодействие центральных блоков, датчиков и драйверов происходит по информационной шине.

Рис. 2.	Подходы к организации автомобильной интеллектуальной системы.

В таких системах повышения производительности обычно добиваются путем увеличения быстродействия процессоров. Этот подход дает положительный эффект до тех пор, пока не достигается потолок пропускной способности информационной шины. Современные шины CAN работают со скоростями до 1 Мбит/с, но даже такой частоты не хватает для новых систем. Чтобы решить эту проблему, разрабатывают усовершенствованные протоколы, такие как детерминированный по времени CAN FD. Однако реализация таких протоколов достаточно сложна, что делает невозможной их поддержку маломощными микроконтроллерами.

Вторым путем решения проблемы повышения производительности может стать разработка новых микроконтроллеров, которые интегрировали бы в одном корпусе и мощный процессор, и широкий набор периферии. Однако и здесь есть подводные камни. Во-первых, необходимо обеспечить соответствие новых продуктов требованиям автомобильных стандартов по электромагнитной совместимости и безопасности выполнения кода. Во-вторых, гибкость таких микросхем оказывается невысокой. Причиной этого являются «бутылочные горлышки» в виде недостаточной производительности внутренних шин, а также неоптимальные связи между периферией и процессорным ядром внутри самого микроконтроллера. Компания Silicon Mobility предлагает решить эту проблему за счет специального блока программируемой логики.

Новая технология имеет общее фирменное обозначение OLEA. Микроконтроллеры OLEA имеют несколько основных особенностей (Рис. 3):

• AMEC® (Advanced Motor Events Control) – блок программируемой логики, который обеспечивает гибкую связь и производительный обмен между вычислительным ядром (или несколькими ядрами) и периферией, например, электродвигателями;
• SILant® (Safety Integrity Level Agent) – блок защиты, предназначенный для обнаружения, исправления и предотвращения ошибок при выполнении кода;
• Поддержка нескольких независимых процессорных ядер ARM Cortex R5F;
• Широкий выбор периферии (SPI, порты ввода-вывода, ШИМ, ЦАП, АЦП, таймеры и т. д.).

Рис. 3.	Структура микроконтроллеров семейства OLEA.

Блок программируемой логики AMEC® представляет собой встроенную подсистему с набором нескольких специализированных модулей:

• Flexible Logic Unit, FLU – программируемый модуль FPGA;
• Signal Processing Units, SPU – блок цифровой обработки сигналов. Поддерживает 24-битное умножение и аппаратную реализацию БИХ и КИХ цифровых фильтров;
• Math Unit – математический ускоритель для математических/тригонометрических вычислений, например, функций синуса, косинуса, арктангенса, деления, извлечения квадратного корня и т. д.;
• Powertrain-ready Perepherials set, PrP – набор интерфейсов для максимально производительной работы с датчиками и исполнительными механизмами;
• Trigger router – дополнительная матрица для связи FLU и PrP;
• I/O router – матрица соединения с выводами микросхемы;
• DPRAM (Dual-ported RAM) — двухпортовая память с параллельным интерфейсом доступа. Позволяет производить одновременную запись и чтение данных. Выступает как разделяемая память между AMEC® и системой (CPU и DMA) для обеспечения максимально быстрого обмена данными.

Наиболее интересным и необычным звеном в данном случае является модуль FLU, который, по сути, представляет собой ПЛИС, построенную на базе программируемых логических блоков CLB (Configurable Logic Block) или блоков скалярных операций SPU (Scalar Product Computation Units), блоков ввода-вывода (I/O), блоков связи СВ (Connection Block) и мультиплексоров SBOX (Switch Box). Каждый блок CLB включает таблицу преобразования LUT (lookup table) и триггер DFF (Рис. 4).

Рис. 4.	Организация программируемой логики блока AMEC® в микроконтроллерах OLEA.

Важным звеном в составе AMEC® является блок производительной периферии PrP, который предназначен для высокоскоростной работы с датчиками и актуаторами. Он включает следующие модули:

• TEPE (Thermal Engine Position Estimator) – сопроцессор для вычисления и предсказания угловых координат;
• Интерфейс SPI;
• Интерфейс протокола SENT (Single Edge Nibble Transmission Protocol Interface);
• Интерфейс PSI5 (Peripheral Sensor Interface);
• Квадратурный энкодер QUADRA (Quadrature encoder interface);
• Блок захвата и фильтрации CAPTURE;
• Порты ввода-вывода GPIO;
• ШИМ генераторы и таймеры;
• Прецизионный генератор CWG (Complex Wave Generator);
• Несколько типов АЦП.

Благодаря наличию AMEC®, удается сформировать оптимальные связи между процессором, периферией, различными датчиками и механизмами. В частности, на Рис. 5 представлен пример реализации схемы управления бесколлекторным двигателем.

Рис. 5.	Пример схемы управления бесколекторным электродвигателем.

Как уже было сказано, одна из основных проблем внедрения процессоров и микроконтроллеров в автомобильные приложения заключается в необходимости обеспечения высокой степени безопасности. OLEA отвечают самым строгим требованиям, в том числе по безопасности выполнения кода. Заявленных высоких показателей предполагается достигать за счет технологии SILant®. Она обеспечивает фоновую защиту от сбоев всех блоков микроконтроллеров OLEA, таким образом, освобождая от этого центральный процессор.

В настоящий момент семейство OLEA® имеет следующие характеристики:

• от 1 до 3 ядер ARM® Cortex-R5F с рабочей частотой до 350 МГц и производительностью 2600 DMIPS/ 295 WMIPS;
• память до 8 Мбайт eFlash, до 512 Кбайт ОЗУ;
• блок программируемой логики AMEC® с числом логических программируемых элементов от 3000 до 11000;
• система безопасности SILant®;
• до 256 каналов таймеров;
• до 60 портов ввода-вывода;
• диапазон рабочих температур: –40…+125 °C (AEC-Q100 Grade 1), опционально –40…+135 °C.

Предполагается расширение семейства OLEA до трех представителей:

OLEAT222-1005 – одноядерный микроконтроллер с рабочей частотой до 200 МГц, числом логических ячеек 5000, объемом памяти 2 Мбайт, корпусными исполнениями QFP100, QFP144 и QFP176.

OLEAT444-1008 – двухъядерный микроконтроллер с рабочей частотой до 300 МГц, числом логических ячеек 8000, объемом памяти 4 Мбайт, корпусными исполнениями BGA292 и QFP176.

OLEAT568-1011 – трехъядерный микроконтроллер с рабочей частотой до 350 МГц, числом логических ячеек 11000, объемом памяти 8 Мбайт, корпусными исполнениями BGA292 или BGA516.

Однако пока что к услугам разработчиков доступны только микроконтроллеры OLEA T222-1005 (Рис. 6).

Рис. 6.	Внешний вид OLEAT222-1005 в корпусном исполнении QFP144.

Структурная схема OLEA T222-1005 соответствует приведенной выше общей схеме микроконтроллеров OLEA (Рис. 7).

Рис. 7.	Структурная схема контроллера OLEAT222-1005.

Важную роль при выборе контроллера играет наличие или отсутствие адекватного инструментария для разработки и отладки ПО. Особенно это касается новых продуктов, в том числе и микроконтроллеров OLEA. Компания Silicon Mobility заявляет о наличии фирменной поддержки и поддержки сторонних разработчиков ПО (Рис. 8). При этом пользователи фирменных средств получат в свое распоряжение полный доступ к целому ряду библиотек.

Рис. 8.	Поддержка контроллеров OLEA различными IDE.

Говоря о фирменных средствах, в первую очередь имеется ввиду интегрированная среда разработки OLEA® COMPOSER (Рис. 9). OLEA® COMPOSER позволяет генерировать код C и HDL, а также выполнять мониторинг переменных в режиме реального времени.

Рис. 9.	Разработка и отладка ПО для контроллеров OLEA.

Важное место в пакете фирменного ПО занимают библиотеки OLEA® LIB:

• OLEA® LIB Math – библиотека математических функций;
• OLEA® LIB Algo – библиотека специализированных алгоритмов;
• OLEA® LIB System – набор функций для оптимизации системы.

Разработка аппаратной части может быть упрощена при использовании ознакомительного набора OLEA®T222 Starter Kit (Рис. 10).

Рис. 10.	LEAT222-1005 – первый автомобильный контроллер с блоком программируемой логики.

Пока рано говорить о том, что микроконтроллеры OLEA® от Silicon Mobility станут настоящим прорывом в области автомобильной электроники. Тем не менее, новаторская система формирования внутренних связей, наличие системы защиты от сбоев SILant®, широкий рабочий диапазон, соответствие AEC-Q100 Grade 1 делает микроконтроллеры OLEA® привлекательными для данной отрасли.

Характеристики контроллера OLEA T222-1005:

• количество процессорных ядер: 1;
• процессор: 32-bit ARM® Cortex-R5F, 200 МГц, 16/8 Кбайт кэш команд и данных, поддержка вычислений с плавающей точкой, набор команд Thumb2;
• блок программируемой логики: число программируемых логических элементов 4560, память 8 Кбайт DPRAM;
• память: 2 Мбайт eFlash, 24 Кбайт SRAM;
• периферия: 4-канальный генератор, 4 ШИМ модулятора, 118 портов вывода-вывода, 3× SENT, 2× SPI, 3× UART, 33 программируемых фильтра;
• коммуникационные шинные интерфейсы: 2× CAN-FD ISO 11898-1:2015, 3× UART-LIN LIN 1.3, 2.0 и 2.1;
• аналоговая периферия: 50 МГц встроенный генератор, регулятор 3.3/1.2 В, 8 12-битных АЦП последовательного приближения (2 млн выборок в секунду), 8 аналоговых компараторов, 2 датчика температуры;
• напряжение питания: 3.3 для всех блоков, 3.3 или 1.2 для процессорного ядра;
• диапазон рабочих температур: –40…+125 °C (AEC-Q100 Grade 1), опционально –40…+135 °C.
• корпусные исполнения: QFP100, QFP144 и QFP176.

О компании

Silicon Mobility – компания, появившаяся в 2014 году при поддержке французского правительства и частного капитала. Основным направлением деятельности фирмы стала разработка производительных процессорных систем для автомобильных приложений. В частности, Silicon Mobility выпустила первый автомобильный контроллер OLEAT222-1005 с блоком программируемой логики.

Посмотреть более подробно технические характеристики контроллера компании Silicon Mobility