汽车网络中多核SoC的NoC结构研究

汽车网络中多核SoC的NoC结构研究李哲英，刘佳，吕彩霞（北京联合大学微电子应用技术研究所，北京，100101）摘要：将汽车电子信息网络划分为通信信息系统和测控系统两个部分，设计了汽车通信信息系统和发动机控制系统两个不同的SoC结构。这两个SoC都属于多CPU的SoC，其中数据传输结构比较复杂。在对汽车电子网络分析的基础上，对汽车通信信息系统SoC和发动机控制系统SoC的结构进行了研究，设计了两种网络的SoC结构。作为一种特殊的片上网络结构，本文根据所提出的SoC结构，提出使用关联矩阵分析SoC中连接条件的NoC设计分析方法。关键词：汽车电子；SoC；NoCStudyontheArchitectureinNoCofSoCwithMulti-CPUinAutomobileNetworkLIZheying,LIUJia,LVCaixia(InstituteofMicro-electronicApplicationTech,BeijingUnionUniversity,Beijing,100101)Abstract:Automobileelectronicinformationnetworkisdividedintotwoparts,communicationinformationsystemandmeasureandcontrolsystem.AndtwodifferentSoCarchitecturesaredesignedinthispaper.Basedontheanalysisofautomobileelectronicnetwork,thearchitectureofcommunicationinformationsystemSoCandenginecontrolsystemSoCareanalyzedinthepaper,andthearchitectureofSoCintwonetworksisdesigned,too.BasedonthearchitectureoftheSoC,aNoCdesignandanalysismethodofaffiliatedmatrixisproposedinthepapertoanalyseconnectionconditionsinSoC.Keywords:Automobileelectronic;SoC;NoC0引言汽车电子技术已经从非重要的、用来改善乘坐舒适性和方便性的领域，转向对汽车的节能、环保、安全的全面控制领域。这种汽车电子技术对电子技术提出了更加苛刻的要求。特别是对这信息技术的发展，汽车电子已经为从道路识别、卫星定位到自动驾驶、防撞等领域全面应用提出了要求[1][2]。特别是48V供电系统以及X-by-wire的技术的提出后，更是为汽车电子的应用提出了新的要求。这些新的要求就是要求汽车电子系统中的处理器必须具有更高的工作速度、更低的功率损耗、更高的可靠性，以及更强的数据交换和处理能力。从安全性的角度看，汽车运行的主要控制系统应当具有两个基本特征，一个是独立工作特征，另一个则是系统联动特征。所谓独立工作特征，就是保证汽车电子系统不会因为某个部件的故障而导致整个系统瘫痪[1][3]。这是一个相当高的技术要求。所谓系统联动特征，就是要保证汽车各个相关部分工作协调。要满足这两个基本特征，就必须采用相关的处理模块，并组成汽车中的信息网络[4]。为了满足汽车信息网络的要求，提高工作效率，最好的方法就是使用SoC技术。由于汽车中不同的部分需要对数据进行不同的处理，因此，汽车网络就像一个分布式数据处理系统。这种分布式计算系统的最大特征就是必须有安全有效的数据传输来保证。使用多CPU核的SoC，不仅可以满足汽车的可靠性要求，还可以极大地提升汽车系统的信息处理与传输速度，从而为汽车整体优化工作提供可靠的保证。多核SoC是一种复杂的微处理器系统[5][6]，其内部不同的CPU系统构成不同的内核，这些内核之间通过强有力的数据网络实现可靠连接。因此，这就是一种特殊的NoC器件。与通用的NoC结构不同，专用多核SoC的应用性决定了其内部数据传输的结构，因此，其内部数据传输网络和传输方式也完全可以根据应用要求来确定[2]，这是设计这种NoC的一个重要基础。本文对汽车电子信息网络的结构进行了分析，将其划分为通信信息系统和测控系统两个部分。通过对两种电子信息网络工作特征和系统要求的分析，设计了两个不同的SoC结构。在对汽车电子网络分析的基础上，对汽车通信信息系统SoC和发动机控制系统SoC的结构进行了分析研究，提出使用关联矩阵分析SoC中连接条件的分析方法。1汽车电子网络分析目前的汽车电子系统实际上已经成为了一个十分复杂的测控系统，而随着信息技术的飞速发展，汽车电子系统已经开始向着信息网络的方向发展。汽车电子信息网络的基本结构如图1所示。发动机控制嵌入式系统移动通信系统GPS系统监测系统自动巡航系统车灯控制系统空调控制系统车门控制系统防撞雷达系统ABS控制系统多媒体系统安全气囊控制系统图1汽车电子网络的基本内容可以把汽车电子信息网络看成是两个不同特性网络的组合，一个是通信信息网络，另一个是测控网络。通信信息网络是一个移动网络终端，其功能是连接移动信息网络和卫星定位系统，并提供相应的通信支持、多媒体数据支持。通过汽车通信信息网络，汽车驾驶员和测控系统可以获得所需要的相关信息，包括汽车位置、路况信息。同时，通过通信信息网络还可以实现话音通信、可视电话、多媒体视频传输等。测控网络的功能是完成汽车所需要的各种测量与控制，其中包括发动机控制、自动巡航控制、ABS控制、车灯控制、车内环境控制（空调等控制）、车门控制以及防撞雷达的控制。由于汽车所提供的电子系统工作环境比较特殊，其要求也比较特殊，因此，汽车电子要满足如下一些要求[1][2]：1）达到最新技术发展水平，低价格，高收益处理技术2）低电压和高电压器件的准确特征与建模3）汽车电子技术中不同部分的精细的可靠性描述与优化4）苛刻的ESD和EMC要求专用保护器件，这些保护器件具有自己的特征描述与优化。5）针对功能性、防护和安全性应用的创新设计技术，以优化不同部件的使用。6）复杂高电压混合信号集成电路的高故障覆盖率测试。7）针对汽车的高电压和高温环境，汽车部件的低价格和高可靠性封装。这种汽车电子的技术要求，提供了汽车信息网络可靠工作的基本保证。此外，汽车电子信息系统中的还需要考虑软件的可靠性和健壮性[6]。从信息技术的角度看，汽车中的这两种电子信息网络既有相同之处，也有不同之处。相同之处是两个网络的基本功能都是传输数据，不同之处在于传输速度和处理要求不同。通信信息网络一般要求高速的数据传输以及通信信息处理，其中包括多媒体显示。测控网络则要求高可靠性的数据传输和精确的控制处理，例如安全气囊的控制、发动机的控制。随着环保要求越来越高，对汽车测控系统的控制精度的要求也越来越高。从系统安全可靠性的角度看，这两种系统必须能够完全独立工作，二者之间只能存在必要的数据传输，不能存在严格的相互控制影响。就是说，二者必须做到系统上的相互独立与隔离。随着电子技术的发展，要满足汽车电子的特殊要求，目前最好的方法就是使用高集成度电子器件实现通信信息系统和测控系统。实际上，目前汽车通信系统和测控系统的各个功能部分都具有一个CPU系统，也就是说，汽车电子系统目前已经是一个分布式计算机系统了。由此可知，为了保证两个系统的正常工作，最好的方法就是使用SoC技术，设计专用的SoC器件，以做到高可靠性和高健壮性。为了保证全系统安全工作，必须采用一个独立的监视系统，同时，为了保证测控网络的安全正常工作，应当使用热备份系统。2汽车电子网络中的多核器件基本特征为了满足汽车网络的需要，采用单一CPU的SoC系统就会引起网络数据传输量的增加，所以应当尽量减少信号的传输过程，特别是模拟信号的传输过程。因此，使用多CPU的多核器件设计技术，就可以极大地改善汽车通信系统和测控系统的工作环境和可靠性，从而提高系统的安全性。上述讨论可知，通信信息网络和测控网络应当相对独立，也就是说，应当采取不同的结构实现系统SoC。根据汽车结构的基本特征，以及电子系统安全控制的原则，在汽车电子系统中应当采用全数字智能处理的系统结构，也就是采用控制处理单元与智能执行单元分离的结构，如图2所示的车门控制系统。这样可以实现复杂处理和执行处理分离开的分布式计算网络，从而保证全系统实现数字传输的工作方式。这种工作方式的最大优点就是能够最大限度地减少模拟信号的传输，而模拟信号在传输过程中最容易受到干扰。数据传输线中央锁控制系统车窗控制CPU伺服马达驱动器车锁控制CPU伺服马达驱动器公共缓冲存储器信息处理嵌入式系统DSP系统车内数据传输CPULCD显示测控系统信号接收CPU系统信号发送CPU系统图2分布式车门控制系统图3通信信息系统SoC结构SRSTDCDME图4通信信息系统SoC数据流图对于通信信息系统可以使用高度集成的SoC结构，如图3所示。在图3中，1）信号接收CPU系统和信号发送CPU系统的功能是连接无线传输电路，为系统提供无线通信接口。2）信息处理嵌入式系统是SoC的核心控制器，其功能是对接收和要发送的数据进行分配控制。3）DSP系统用来处理多媒体信号，例如3G广播、电子地图等。4）车内数据传输CPU用来提供与汽车电子信息网络的其他部分进行数据交换。在图3中，信息处理嵌入式系统与其它5个模块相连接，而信号接收、信号发送、DSP和车内数据传输这4个模块之间不需要相互连接，由此，可以建立图3所示系统的数据流图模型（DFG模型）如图4所示。其中结点SR、ST、D、CD、M和E分别代表信号接收CPU、信号发送CPU、DSP系统、车内数据传输CPU、公共缓冲存储器和信息处理嵌入式系统。对于测控系统，可以使用分布式计算、集中控制结构，图5所示发动机控制系统的SoC结构。图5中，1）信息处理嵌入式系统是一个功能比较强大的数据处理系统，并把处理结果发送给发动机控制的相关CPU系统。2）燃油喷射CPU专门用于燃油喷射控制以及相关传感器的数据采集。这个CPU的控制依据是来自信息处理嵌入式系统的数据，以及所采集到的传感器信息。3）点火控制CPU专门用于燃油喷射的控制，其控制依据来自信息处理嵌入式系统和相关的传感器。4）进气控制CPU专门用于进气量的控制，其控制依据来自信息处理嵌入式系统和相关的传感器。5）尾气控制CPU专门用于尾气排放的控制，其控制依据来自信息处理嵌入式系统和相关的传感器。6）增压控制CPU专门用于燃气压力的控制，其控制依据来自信息处理嵌入式系统和相关的传感器。燃油喷射CPU点火控制CPU信息处理嵌入式系统进气控制CPU尾气控制CPU增压控制CPU接口CPUFIAExEDIB图5发动机控制系统SoC图6发动机控制系统SoC数据流图图5的数据流图如图6所示。其中结点F、I、A、Ex、B、DI和E分别代表燃油喷射CPU、点火控制CPU、进气控制CPU、尾气控制CPU、增压控制CPU、接口CPU和信息处理嵌入式系统。从图3和图5可以看出，这是两个用途完全不同的SoC器件，但都具有一个相同的特点，就是每个器件中包含多个CPU，同时，这两个器件中的CPU核之间的数据传输路径是明确的。3NoC结构分析采用多核SoC技术设计汽车电子信息网络中，最大的问题就是如何实现片上网络系统。对于多核SoC来说，系统中的微处理器各自为一个独立系统，因此，存在一个如何实现全器件协调工作的问题。根据上述分析可知，对于汽车中的通信信息系统SoC和发动机控制SoC来说，尽管其内部有多个CPU核，但各CPU之间的相互连接路径是固定的，也就是说不存在通用NoC中所需要的网络连接方式。这位SoC的设计提供了极大的方便。对于图3所示的SoC来说，器件中提供了一个公共缓冲存储器，其作用是为接收到和等待发送的数据提供一个数据存储器。信息处理嵌入式系统对公共缓冲存储器进行分配，并根据分配的结果通知给DSP系统、信号接收CPU系统和信号发送CPU系统。同时，信息处理嵌入式系统还担