基于S32G274A 的車載域控制器設(shè)計

張大霖，馬濤

（東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司，遼寧沈陽 110179）

隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，傳統(tǒng)的整車電子電氣架構(gòu)和車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通訊方式已經(jīng)難以滿足越來越多樣化的功能需求。電子電氣架構(gòu)方面，域控制器+區(qū)域控制器的集中式架構(gòu)正逐漸取代分布式架構(gòu)成為主流[1]，車內(nèi)功能逐漸集中融合到域控制器中[2]。車內(nèi)通訊方面，不同于傳統(tǒng)基于信號的通訊架構(gòu)[3]，SOA（Service-Oriented Architecture）架構(gòu)采用基于服務(wù)發(fā)布調(diào)用的方式，通過配置服務(wù)發(fā)布列表和調(diào)用列表來實現(xiàn)功能更新，不再需要更改整車通訊矩陣實現(xiàn)變更。作為整車電子電氣架構(gòu)的核心部件[4]和SOA 架構(gòu)載體，域控制器相較于傳統(tǒng)車載控制器在硬件上需要更為強(qiáng)大的處理芯片以提供更高的算力，同時在軟件開發(fā)上也更注重降低耦合度，提高軟件的復(fù)用度降低開發(fā)量。S32G274A 芯片是NXP 為適應(yīng)整車電子電氣架構(gòu)的變革在2021 年推出的高性能域控制器處理器，S32G274A 芯片可以提供高達(dá)15900DMIPS 的算力，相較于傳統(tǒng)車載處理器算力提升了十幾倍。為了在提升算力的同時滿足實時性和功能安全等級要求，S32G274A 采用異構(gòu)架構(gòu)（ARM A53 LINUX+ARM M7 RTOS）相較于傳統(tǒng)只支持一種架構(gòu)的車載處理器具有更廣闊的應(yīng)用空間，便于實現(xiàn)平臺化開發(fā)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 需求分析

本文中的域控制器為整車的中央域控制器，作為整車的中央計算單元和網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)關(guān)，需要在為整車車身和動力功能提供高性能算力的同時滿足整車數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的要求。主要的外設(shè)接口是以太網(wǎng)接口和CAN 通訊接口。其中，與車載網(wǎng)聯(lián)終端，座艙域控制器，智駕域控制器分別有一路千兆網(wǎng)口（1000base-T1）和一路CANFD 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。前后左右區(qū)域控制器作為中央域控制器的應(yīng)用執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別與中央域控制器通過一路百兆網(wǎng)口(100base-T1)和一路CANFD 傳輸數(shù)據(jù)。另外，針對一些傳感器和暫時無法整合到區(qū)域控制器中的獨(dú)立控制器（例如BMS 和電機(jī)控制器），預(yù)留了5 路CANFD 和2路LIN?？傆嬓枰齻€千兆以太網(wǎng)接口，4 個百兆以太網(wǎng)接口和12 個CANFD 接口以及2 路LIN 接口。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

S32G274A 有4 個MAC 接口，分別為PFE0，PFE1，PFE2 和GMAC。根據(jù)需求分析采用3 個獨(dú)立千兆PHY 和一個SWITCH 來擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，千兆PHY 選用博通的BCM89883，SWITCH 選用博通的BCM89551 將一個MAC 擴(kuò)展為4 個百兆以太網(wǎng)(100base-T1) 和1 個RJ45 的百兆工業(yè)以太網(wǎng)接口，RJ45 以太網(wǎng)接口可用于調(diào)試。CAN 芯片選取TJA1043 共計設(shè)計12 路，兩路LIN 選取芯片為TJA1021。運(yùn)行內(nèi)存LPDDR4 規(guī)格2GB，EMMC 數(shù)據(jù)存儲規(guī)格8GB。為滿足國密數(shù)據(jù)加密的需求，采用了一個信大捷安的XDSM3276 的信息安全加密芯片。整個系統(tǒng)的電源芯片是NXP 與S32G 平臺匹配的VR5510，板上還放置一個RTC 芯片用以實現(xiàn)定時喚醒檢測功能，除此之外還預(yù)留了部分ADC 采樣和I/O 控制接口。系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件與S32G274A 的連接方式在圖1 中做了標(biāo)識。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 給出了主要元器件在PCB 板上的布局，電源部分布置在PCB 板的右側(cè)，主要的通訊芯片布置在PCB 板的左側(cè)降低干擾，PCB 不含接插件的整板尺寸149mm*198mm。

圖2 PCB 布局

2 軟件系統(tǒng)

2.1 整體架構(gòu)

域控制器相較于傳統(tǒng)控制器在軟件架構(gòu)上更加注重通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，因此在軟件架構(gòu)上采取分層架構(gòu)。應(yīng)用層功能在核間的分配需要綜合考慮功能安全等級，實時性和算力要求。A53 核的算力較高但是系統(tǒng)的功能安全等級和系統(tǒng)實時性等級較低，A53 核如果要求滿足功能安全需求需要采用QNX系統(tǒng)，主要原因是LINUX 操作系統(tǒng)是開源系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)核過于龐大無法進(jìn)行功能安全的失效率分析，考慮QNX 操作系統(tǒng)有高昂的授權(quán)費(fèi)因此對于沒有功能安全要求的部分采用LINUX 系統(tǒng)以降低成本，LINUX 和QNX 系統(tǒng)通過HYPERVISOR 進(jìn)行分割隔離，采用QNX 操作系統(tǒng)的兩個A53 核在運(yùn)行自身分配的功能基礎(chǔ)上還要互為BACKUP 以保證其系統(tǒng)失效率。M7 核由于算力有限無法運(yùn)行LINUX/QNX 系統(tǒng)，運(yùn)行基于AUTOSAR CLASSIC平臺的RTOS 系統(tǒng)，RTOS 系統(tǒng)雖然在內(nèi)核調(diào)度能力上弱于LINUX 和QNX，但是在實時性和功能安全等級上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于LINUX 和QNX 系統(tǒng)?？紤]到功能安全的等級嚴(yán)重影響系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度和開發(fā)成本。根據(jù)功能失效的影響將3 個可用的M7 核分配為ASILB 和ASIL D 等級，具體的功能分配見圖3中的應(yīng)用功能分配。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

操作系統(tǒng)和驅(qū)動之上布置了AUTOSAR 基礎(chǔ)軟件和域控制器工作的必要軟件組件。AUTOSAR 基礎(chǔ)軟件根據(jù)處理器內(nèi)核架構(gòu)的不同分別采用AUTOSAR ADAPTIVE 平臺和AUTOSAR CLASSIC平臺，必要軟件組件包括電源管理，數(shù)據(jù)存儲和核間通訊等。與常見的車載控制器不同，由于S32G274A芯片是異構(gòu)架構(gòu)，A53 核和M7 核的通訊沒有辦法通過操作系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)，需要設(shè)計一個核間通訊模塊來保證整個控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)和功能的統(tǒng)一調(diào)度。S32G 有兩種異構(gòu)架構(gòu)的核間通訊通道，一種是基于共享內(nèi)存配置中斷的通訊方式IPCF(NTERPLATFORM COMMUNICATION FRAMEWORK)，一種是基于類似于以太網(wǎng)的SOCKET 通訊方式PFE(Packet Forwarding Engine)，PFE 可以等效為是在芯片內(nèi)部封裝了一個SWITCH。兩種通訊方式比較，IPCF 采用共享內(nèi)存中斷的效率必然好于PFE，但是由于共享內(nèi)存使用的是S32G 芯片的SRAM，SRAM總量只有8MB，其中大部分被M7 核的應(yīng)用占用，通過測試在本文中M7 核應(yīng)用功能正常工作的情況下SRAM 最大可分配3MB 用于IPCF 使用，因而IPCF的處理能力非常有限。PFE 的數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)，在每包數(shù)據(jù)大小64 字節(jié)的壓力測試環(huán)境下可以達(dá)到2Gbps 處理能力。核間通訊的路由表配置為實時性高且數(shù)據(jù)量不大的信號通過IPCF 傳輸方式，數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)通過PFE。A53 核和M7 核兩種操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞形式不一致，因此在核間通訊時需要實行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組包解包協(xié)議，在M7 核和A53 核分別設(shè)置相應(yīng)核間通訊模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化和反序列化。

對于應(yīng)用層與下層通用基礎(chǔ)軟件和必要軟件組件的接口差異性設(shè)計了專用軟件中間件。這種架構(gòu)通過專用中間件將通用組件與應(yīng)用層隔離開，降低軟件耦合度便于實現(xiàn)平臺化開發(fā)，作為域控制器核心的SOA 中間件由于與功能耦合度較高因此布置在專用中間件層。

2.2 SOA 組件設(shè)計流程

域控制器做為整車的中央網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，是整車SOA 的核心。本文中的SOA 服務(wù)設(shè)計流程如圖4。首先要列出需要實現(xiàn)服務(wù)化的業(yè)務(wù)列表，根據(jù)不同的功能設(shè)計相應(yīng)服務(wù)，明確服務(wù)內(nèi)容和角色，將設(shè)計好的服務(wù)簡化為變量，并根據(jù)變量的用途進(jìn)行數(shù)據(jù)類型分類,然后根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的部署選擇對應(yīng)的SOA 協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)部署（將數(shù)據(jù)類型和協(xié)議棧數(shù)據(jù)屬性對應(yīng)）。上述過程完成后，需要將服務(wù)涉及的邏輯功能進(jìn)行建模得到應(yīng)用軟件模塊SWC，由于組合服務(wù)可能需要調(diào)用不止一個SWC 模塊，需要將多個SWC 模塊結(jié)合在一起，因此需要進(jìn)行接口設(shè)計與映射，最后將服務(wù)應(yīng)用與進(jìn)程進(jìn)行綁定，就實現(xiàn)了SOA 服務(wù)化設(shè)計。

圖4 SOA 組件設(shè)計流程

對上述的設(shè)計方法設(shè)計了驗證臺架，負(fù)載使用雨刮電機(jī)和前大燈，指令發(fā)布通過PC 和無線路由器下發(fā)給域控制器。SOA 協(xié)議棧采用車載領(lǐng)域主流的SOMEIP 協(xié)議，選取的SOMEIP 數(shù)據(jù)屬性是method，method 綁定的應(yīng)用分別是method ID 000a雨刮高速檔運(yùn)行1 分鐘，method ID 000b 大燈點(diǎn)亮5分鐘關(guān)閉5 分鐘，驗證流程如圖5。

圖5 驗證流程示意圖

根據(jù)圖5 的驗證構(gòu)想搭建了驗證臺架，圖6 是驗證臺架實物和Wireshark 數(shù)據(jù)解析截圖。

圖6 臺架驗證結(jié)果

3 結(jié)語

當(dāng)前，車載控制器正面臨硬件平臺可拓展性低、開發(fā)周期長、成本難以控制等方面的難題。以S32G274A 高性能處理器為主處理器設(shè)計域控制器可以滿足跨域融合的算力和通訊性能要求。實現(xiàn)車身、動力、網(wǎng)關(guān)等功能的整合實現(xiàn)硬件平臺化開發(fā)。同時，軟件架構(gòu)的分層模塊化和基于SOA 架構(gòu)的車內(nèi)通訊架構(gòu)能大幅度提升平臺的可拓展性和可移植性，具有廣泛的應(yīng)用前景。