10月18日，芯馳科技在智東西公開課開設的「芯馳科技汽車芯片系列公開課 · 車規MCU專場」已順利完結，芯馳科技市場總監何旭鵬帶來了主題為《缺芯潮下，國產車規MCU的創新與應用》的直播講解。

何旭鵬老師首先從缺芯潮下MCU的國產替代機會和挑戰講起，之后結合關鍵技術、軟件開發工具鏈、參考設計，以及ADAS和電池管理系統BMS應用方案等方面內容，對芯馳科技E3系列車規MCU進行了深入解讀。

本次專場分為上中下三集，將從以下5個方面展開：

缺芯潮下MCU的國產替代機會與挑戰

芯馳科技E3系列車規MCU介紹

芯馳科技E3系列車規MCU關鍵技術

E3系列MCU的工具鏈與參考設計

基于E3的ADAS及BMS應用方案介紹

本集內容為：

芯馳科技E3系列車規MCU關鍵技術

E3系列MCU的工具鏈與參考設計

芯馳科技E3系列車規MCU關鍵技術

這里介紹一些產品的關鍵技術。首先從內核談起，E3內核的特點主要有以下幾個：第一個特點是高功能安全，像有朋友在討論區里提到的，Cortex-R5F也是一個ASIL D認證的IP，可以在ARM官網下載到相關的功能安全證書。芯馳E3整個系列都配置了Cortex-R5F內核，它的第一個特點是安全，第二個特點是高算力。高算力背后有兩個原因，一是有多個可編程內核，比如E3600系列，最多是6個物理上的內核，最小可以配置成三對獨立可運行的鎖步內核；最大情況下，除一對鎖步內核無法解開，其他的兩對鎖步核可以配置為4個獨立可編程的內核，這樣就可以獲得總共5個獨立的內核，芯片整體算力會得到提升。表格最后一行展示的是以KDMIPS為單位的算力，E3600系列未來還有800MHz主頻的產品，算力可以達到8KDMIPS。

另外，部分雙核鎖步CPU可以被配置成鎖步或獨立運行模式，舉例如ADAS控制器或者剎車控制器，這些ECU都有功能安全和非功能安全的算力需求，此時E3的CPU就可以由用戶去配置為鎖步內核和多個獨立運行的非鎖步內核，以滿足應用的算力要求。

第三個特點是支持單指令多數據類的指令，這是Cortex-R5F帶來的一個特點，也是提升運算效率的一個方式。再就是硬件FPU，提供一個硬件浮點單元。很多朋友可能會問，芯馳E3產品的算力很高，它有什么樣的目標市場呢？我們在推廣的過程中看到越來越多的ECU是有高算力需求的。舉個例子，首先實現厘米級高精度定位的定位盒子P-Box，對于自動駕駛來說這是一個非常重要的ECU，這類ECU需要對越來越多的衛星數據的矩陣計算，需要大容量存儲和大算力來完成實時定位運算，這一部分很多時候會用到E3400，甚至E3600系列來做產品開發。目前，我們有多個P-Box項目在研，正是發揮了E3高算力的特點。

此外，現在很多ECU集成了更多的傳統ECU功能，比如某項目是底盤的域控制器，里面可能有BMS、網關、車身控制、VCU等，這些功能集成在一起之后，對MCU的算力要求將會顯著提高。

第一個關鍵技術是存儲架構。芯馳E3存儲架構的特點首先是容量很大，剛才提到了E3640最大有4MB SRAM，但是整顆芯片中可用的SRAM大于4MB。因為每一對鎖步內核上有128KB TCM，這是更靠近內核的一個更快SRAM，它可以做普通的SRAM使用。如果計及TCM，再把RAM的ECC部分（不需要ECC時可作為普通RAM使用）也算進去，整個SRAM會超過5MB。

第二個關鍵技術是有高性能的指令和數據緩存，這兩部分對于Cortex-R5F內核是非常重要的。我們跑過一些典型應用，比如電機驅動或者網關，發現在這些實際應用場景中緩存的命中率是非常高的，經常可以達到99%及以上的水平，這意味著大部分的數據、指令訪問，都是在高速緩存范圍內完成了，所以CPU性能會非常高。并且根據我們的理解，絕大部分的ECU應用運行下來都會得到非常高的緩存命中率。而對于希望能準確的執行并避免緩存miss的工況，關鍵代碼可以放在TCM里完成，整個執行會有更高的確定性。

另外，各級存儲基本都有ECC和Parity保護，整體具有功能安全設計。除了每一種存儲有ECC保護以外，各個存儲內部的總線還有端對端的保護，整個存儲架構是十分安全的。

其他重要特點還包括可擴展的外部存儲器，芯馳叫XSPI接口。它最多可以跑到200MHz時鐘、8根數據線、DDR模式，最大實現每秒400MB/s的串行存儲擴展。這個接口擴展的存儲器是memory mapped，可以直接把代碼或者數據放在其中運行，大部分情況無需把外部Flash中的程序放到RAM里運行。這個存儲接口還可以支持數據加密并在線解密執行程序。

大家可能也會有疑問，為什么要把MCU產品的存儲做得這么大？為什么需要可擴展的存儲接口？主要原因在于很多應用會有越來越大的數據量。以區域控制器為例，很多產品都會用到10MB以上的Flash存儲，隨著未來ECU產品集成度提高、更復雜的功能被集成，存儲一定會繼續增長。如果有個可擴展的存儲，會使這一切變得更加靈活。比如做一個產品升級，算力是足夠的，但Flash空間不夠，換一個板級引腳兼容的Flash就可以解決。

第三個關鍵技術是E3產品所集成的外設與功能模塊。下面介紹下外設層面值得提出的點：首先是CAN-FD和LIN接口非常多，CAN-FD最多有24路，LIN最多16路，這樣的配置對未來的集中式電子電氣架構是非常重要的，可以讓控制器便捷的接駁各類傳感器和執行器。我們已經看到了一些客戶做區域控制器時，用到的CAN和LIN在25路左右的水平，這是未來一兩年會上車的控制器產品，可以看到這一類產品的演化非常快。

FlexRay是一個重要的通信接口，有時可以作為ECU間的備份通信路徑，當兩個區域控制器之間的以太網通信出現單點故障時，可以作為備份。集中化汽車電子電氣架構中的域控制器通常將以太網作為主干網絡，芯馳的E3產品里面絕大多數都配有以太網，最多包含兩個千兆以太網模塊，支持TSN。TSN是比較重要的，特別是在ADAS相關的應用領域里，可用于實現傳感器數據和控制信號的時間同步。比如一個激光雷達，其傳遞到ADAS控制器的數據就需要做時間同步，E3支持TSN的一系列協議，具體可以參考芯馳技術參考手冊上的相關介紹。

以太網在未來的集中式電子電氣架構中，也會作為一個主干網絡而存在，現在能看到的一些域控制器中以太網已經用到了百兆，未來千兆的情況也會很快的進入應用階段，因為數據量會越來越大。

對于軟件定義汽車或者SOA架構的開發，TSN也扮演著十分重要的作用。SOA中一個應用的功能會由很多的服務組成，由不同的ECU完成，這個過程中需要一個時間邏輯上的同步，TSN就是相關實現所需的關鍵模塊。

接口外設如USB，在特定的應用中是比較重要的。比如一個液晶儀表，USB可以更方便的下載資源、進行調試。還有SPI，由于汽車中越來越多的外部器件是串行化的，E3最多有8個SPI模塊，每個模塊有4個片選，可以支持較多的節點滿足板級系統連接需求。

下面是兩個實時控制相關的外設，E3芯片內部集成了高性能的SAR ADC，采樣率能達到2MSPS，內部有三個獨立的SAR內核，可以做同步采樣。同時，會支持多達48個模擬通道，另外還有專門的IO可以受到ADC模塊的控制，去選通外部的模擬開關，自動實現模擬通道拓展。同時，E3有4個模擬比較器可以做快速的保護，該保護的響應時間是非常快的，在實時控制相關的應用發揮著非常重要的作用。實時控制的外設剛才提到了eTimer和ePWM，可以實現數字量的輸入輸出，可以最高支持到64個通道。

第四個關鍵技術是信息安全。信息安全模塊不只是硬件安全模塊，也包含了安全存儲、干擾檢測器和eFuse。

硬件安全模塊里包含了一個RISC-V信息安全內核和一系列信息安全相關的硬件加速引擎，可以分為幾大類：公鑰。對稱加密、哈希和真隨機數。除了這些傳統的算法以外，國密SM2/3/4/9也被包含到了硬件加速引擎當中，整個芯片計劃過國密二級的認證。

其中比較重要的部分是eFuse，eFuse可用于燒寫獨特的ID或密鑰。eFuse有兩個比較典型的應用，第一種是使用外部的Flash存儲器并需要在外部Flash存儲器里直接執行程序，但這時不希望外部存儲器里的程序是對外可見的，這時可以把它加密，然后把密鑰存在芯片內部的eFuse里，外部存儲器中的程序可以直接在線的解密并得到執行。這樣整個代碼的安全，知識產權安全得到了保護。

第二周，它里面可以用來做安全啟動的密鑰，在啟動時會讀取對應的區域，對固件進行驗簽，校驗通過后執行代碼。這樣可以保證運行的固件是經過認證的，芯馳有安全啟動的相關方案，具體會提到怎樣配置eFuse。

存儲這部分，有專門針對加密算法運行過程中的公鑰和私鑰做的安全存儲，安全存儲在內部有一個專門的RAM區域，外部無法訪問。這樣的區域，可以在檢測到外部攻擊，比如對電源和時鐘的攻擊，或者在一些安全原則被違反的情況下，自動銷毀秘鑰，這部分功能由干擾檢測器實現。

另外一點是安全啟動有速度上的要求，有很多人會要求安全系統啟動后在一定時間內能收發CAN報文，芯馳已經有一個相關的方案，并且實測下來性能是比較好的，也間接說明了整個HSM吞吐率是比較不錯的，能滿足典型應用的要求。

關于安全區域，整個信息安全模塊通過mailbox進行訪問，而我們的密鑰，比如eFuse里存儲的密鑰，只能通過硬件引擎去訪問，其他的程序代碼是無法接觸到的，這樣的機制也保證了信息安全能達到比較高的水平。

最后一項關鍵技術是功能安全。功能安全是個比較復雜的話題，首先介紹下芯馳的功能安全輸出物，芯馳一直將功能安全作為重要目標，友商功能安全相關的軟硬件文檔芯馳都會有。安全手冊，包括了各個模塊的安全機制和實現方法的描述，配套也會有一個功能安全軟件，這個軟件會提供一些范例，告訴大家怎么實現這些功能性機制。

另外，我們還會提供AUTOSAR軟件，一些核心模塊也會做ASIL D級別的功能安全認證，為系統集成者實現系統功能安全的助力。芯馳還會提供FMEDA表單，客戶可以根據你所用的安全模塊和所采取的安全機制，計算診斷覆蓋率和PMHF，評估達到什么樣的功能安全等級，也是做終端產品的功能安全認證所必須的輸出物。最后，我們會有產品功能安全證書提供。

E3系列MCU的

工具鏈與參考設計

這張表里放了E3系列最關鍵的工具鏈和生態組件，先從軟件看起，軟件方面芯馳一直是維護了兩套軟件系統：第一個是汽車里非常流行的AutoSAR MCAL，由芯馳非常有經驗團隊進行開發，既包括了MCAL驅動，也包括了復雜驅動CDD，這些都屬于AutoSAR軟件的重要組成部分。

這一套AutoSAR MCAL軟件釋放以后，芯馳和國內外的AutoSAR供應商做了適配，國內的包括普華、東軟睿馳、恒潤，國外包括Vector、ETAS、EB等都已經做了一定程度的適配，有些第三方工具成熟度已經接近于量產水平。多家廠商為芯馳提供了AutoSAR評估包，有需要的客戶可以購買評估包。

另一套軟件是SSDK。芯馳是提供了一套BSP軟件或者說基于FreeRTOS驅動庫，它的重要意義在于如果一個新的硬件要做一些調試和校驗可以比較快的上手，它可以直接接觸到底層做一些寄存器配置。SSDK軟件也同樣適用于不需要AutoSAR的客戶進行項目量產。

顯示中間件部分芯馳也和當前流行的庫做了適配，包括QT for MCU和LittleVGL。

再就是大家關注的集成開發環境，這部分芯馳還在適配更多的廠商，現在有IAR和Greenhills是可以用的，也得益于芯馳采用Cortex-R5內核，在IAR的工具中，可以找到支持到功能安全ASIL D級別的工具鏈，非功能安全的工具鏈也是可以作為一個選項去獲取。同時，整套工具提供了一個代碼編輯、調試、鏈接生成可執行文件等這一系列必要的軟件工具。

往下是參考設計，是按照車規級A樣標準設計的應用參考板。評估板是一個相對低成本的最小系統，把絕大部分的資源引出，可以供客戶搭建自己的原型機。

文檔不再詳細介紹，數據手冊和技術參考手冊是最基本的文檔。其他文檔也有很多，比如軟件開發包的使用手冊、硬件設計手冊、還有各個應用相關的手冊，比如OTA相關的、信息安全相關的應用手冊，在芯馳支持系統上都有提供。

接下來是E3顯示參考設計。上圖顯示了兩個比較重要的參考設計，這些參考設計的硬件設計資料、軟件包還有說明文檔，都是可以在芯馳支持系統里直接下載到的。上圖左上角展現的是參考設計中核心的板卡，而周邊的一些配件并沒有放在圖片中。

該參考設計面對的是幾個顯示類的應用，像是2D液晶儀表，抬頭顯示控制器和電子后視鏡，電子后視鏡是指車左右兩邊的外電子后視鏡。該板卡上貼了E3340具有顯示多媒體模塊的 MCU，它可以通過串行器輸入攝像頭的數據也可以做視頻數據的接入；視頻輸出有 LVDS接口和 RGB接口直接推屏。

同時，板卡上有一些高性能的車規接口，包括1000Base-T1口、USB口和CAN-FD口。剛才也提到了USB在顯示類應用中下載素材做OTA或者更換儀表等主題，作為一個下載更新的介質入口具有獨特的優勢。

板卡上還有電機驅動和音頻功放，可以搭建一個儀表的體系。另外，板卡還有32bit的SRAM作為一個顯示buffer使用。特別提到的是顯示參考設計已經升級到了第二代，上圖左下角展現的是第一代，第二代產品有幾個比較激動人心的demo，比如1920×720能跑到60幀的2D液晶儀表，這是最新推出的一個方案，在業界做到比較高的水平。因為E3內部有硬件扭曲引擎，可以把指針刷到比較高的頻率，實現效果會比較好，未來會有視頻和demo提供給客戶。

同時，我們還在部署高分辨率的電子后視鏡，比如1080P、720P的電子后視鏡方案，會適配不同的顯示屏和攝像頭來滿足客戶的需求。以上顯示類的參考設計的一個概況。

第二個是E3網關、電動力總成、域控制器參考設計，這一塊面向的是剛才提到的車身域控及域控型網關、電動力總成、域控制器。域控制器不限于ADAS或者底盤域控，這里是一個又大又全的域控參考設計。

板卡貼了E3640 MCU，接口上留了把兩路1000Base-T1，同時也預留了一個100Base-TX，可以方便我們去調試，還有豐富的CAN-FD/LIN接口，引出了很多模擬輸入通道，包括了PWM、SENT和數字輸入，板卡載有高級邊驅動的芯片，這些驅動接口也被預留了出來，他們對于車身控制器是一個比較基礎的模塊，同時芯片還貼了MCP，有HyperFlash和HyperRAM存儲，可以同時給E3640芯片擴展RAM和Flash。

該參考設計，可以去做電機FOC的評估、Benchmarking以及通信相關的壓力測試，比如CAN-FD自環、以太網自環的壓力測試，現在這塊參考板按照 A樣級別設計的，怎么理解？使用12V的供電，板卡上的接口和芯片以及PCB都是車規選型，整個板子可以做EMC實驗、高低溫實驗，也可以裝車接口連接，做一些功能驗證。該設計有助于客戶快速上手做自己的應用，它們也在不斷更新迭代中。

關于芯馳科技

芯馳科技專注于為未來智慧出行提供高性能、高可靠的車規芯片，是國內首個“全場景、平臺化”的芯片產品與技術解決方案提供者。

芯馳科技產品和解決方案覆蓋智能座艙、智能駕駛、中央網關和高性能MCU四大業務，涵蓋了未來汽車電子電氣架構最核心的芯片類別，從而實現“四芯合一，賦車以魂”。芯馳的車規芯片已實現大規模量產，服務客戶超過260家，覆蓋中國90%以上的車廠。

關于芯馳科技 四證合一

·國內首個通過德國萊茵TUV ISO 26262 ASIL D功能安全流程認證

·國內第一個獲得德國萊茵TUV ISO 26262 ASIL B 產品認證的車規處理器

·一次性通過所有AEC-Q100可靠性認證項目

·國內首批獲得國密商密產品認證

審核編輯 ：李倩