嵌入式系統(tǒng)是泛計(jì)算領(lǐng)域的重要組成部分，是嵌入到對(duì)象宿主體系中完成某種特定功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)^[1]。嵌入式系統(tǒng)有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點(diǎn)。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展以及微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，在汽車電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，從車身控制、底盤控制、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、主被動(dòng)安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術(shù)的支持。
1 汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程
　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，經(jīng)歷了漫長的獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)道路^[2]。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的發(fā)展類似，汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個(gè)發(fā)展階段：
　　第一階段：SCM(Single Chip Microcomputer)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核心，將CPU和外圍電路集成到一個(gè)芯片上，配置了外部并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一、處理效率低、存儲(chǔ)容量小、軟件結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，不需要嵌入操作系統(tǒng)。這種底層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理量小和實(shí)時(shí)性" title="實(shí)時(shí)性">實(shí)時(shí)性要求不高的控制場(chǎng)合，如雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤以及電動(dòng)門窗等。
　　第二階段：MCU(Micro Controller Unit)系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如A/D轉(zhuǎn)換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)任務(wù)，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動(dòng)懸架以及發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等。
　　第三階段：SoC(System of Chips)系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對(duì)海量離散時(shí)間信號(hào)要求快速處理的場(chǎng)合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的嵌入式應(yīng)用需求，不斷提高處理速度，增加存儲(chǔ)容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實(shí)時(shí)多任務(wù)" title="多任務(wù)">多任務(wù)處理能力，同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)的耦合更為緊密^[3]。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車電子上的高端應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展、邏輯漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力總成、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。
2 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)
2.1 技術(shù)特點(diǎn)
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向?qū)崟r(shí)多任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)耦合與通信的高端應(yīng)用過渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，它還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)處理有很強(qiáng)的支持能力，中斷響應(yīng)時(shí)間1～2μs；
　　(2)具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；
　　(3)在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下能合理進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，充分利用系統(tǒng)資源；
　　(4)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，系統(tǒng)集成度大大提高，降低了成本；
　　(5)超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為毫瓦級(jí)；
　　(6)系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強(qiáng)，適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射等各種工作環(huán)境；
　　(7)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持軟件多線程結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的軟件抗干擾性；
　　(8)提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，提供容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備，軟件包括應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運(yùn)行平臺(tái)，執(zhí)行具體控制。
　　汽車嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來越高，一般為模塊化結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴(kuò)展實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉(zhuǎn)換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲(chǔ)器，支持RISC技術(shù)、多級(jí)流水線技術(shù)與在片調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增強(qiáng)^[4]。

　　現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務(wù)協(xié)調(diào)控制，軟件越來越龐大，越來越復(fù)雜，使得汽車嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車嵌入式SoC系統(tǒng)軟件的典型結(jié)構(gòu)。它采用基于標(biāo)準(zhǔn)化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)部通訊由交互層直接完成，保障應(yīng)用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)層擁有數(shù)據(jù)流處理能力，是不同系統(tǒng)層面間信息交換的中間接口，能最大程度地整合系統(tǒng)資源。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺(tái)模式，使用總線驅(qū)動(dòng)層和硬件抽象層管理I/O端口，合理分配CPU資源，采用基于優(yōu)先級(jí)的事件管理策略，通過API(應(yīng)用程序接口)調(diào)用應(yīng)用程序，根據(jù)郵箱、消息隊(duì)列和信號(hào)量機(jī)制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務(wù)。
2.3 常用的SoC系統(tǒng)平臺(tái)
　　為適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展潮流，各國的半導(dǎo)體和軟件制造商紛紛推出相應(yīng)的嵌入式SoC產(chǎn)品。
　　著名的SoC硬件平臺(tái)包括：Intel公司的StrongArm核心處理器" title="核心處理器">核心處理器，擁有32位RISC數(shù)據(jù)總線、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片調(diào)試、三級(jí)流水線技術(shù)和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心處理器，它是32位RISC處理器，擁有16.85MHz時(shí)鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心處理器，它是64位RISC芯片，擁有300MHz時(shí)鐘和603MIPS的處理速度，集成統(tǒng)一的L2高速緩沖存儲(chǔ)器、DRAM控制器、PCI－X網(wǎng)橋和10/100MAC設(shè)備。著名的SoC軟件平臺(tái)即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括：QNX公司的QNX、Wind River公司的VxWorks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實(shí)時(shí)、微核、基于優(yōu)先級(jí)、消息傳遞、搶占式多任務(wù)、多用戶分布式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，擁有模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)核運(yùn)行高速穩(wěn)定，通信能力和擴(kuò)展裁剪能力很強(qiáng)。
　　在上述平臺(tái)中，StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統(tǒng)在汽車SoC系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。
3 SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)充分適應(yīng)了汽車的工作環(huán)境和技術(shù)要求，在汽車電子技術(shù)上廣泛應(yīng)用。其中北京理工大學(xué)正在研究的汽車ABS/ASR/ACC集成化控制系統(tǒng)具有代表性。
　　ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)是綜合了制動(dòng)防抱死功能(ABS)、驅(qū)動(dòng)防滑功能(ASR)和自適應(yīng)巡航功能(ACC)的汽車新型主動(dòng)安全系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其在硬件上充分利用各個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)有元件，輪速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、加速踏板傳感器和探測(cè)雷達(dá)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，共用控制器和執(zhí)行元件。在軟件上應(yīng)用信息融合、集中控制技術(shù)，通過對(duì)制動(dòng)力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的綜合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)防抱死、驅(qū)動(dòng)防滑和自適應(yīng)巡航功能?？刂七^程充分考慮三個(gè)邏輯模塊上的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息融合共享，例如ABS與ASR的車輪滑動(dòng)率計(jì)算可以統(tǒng)一，ACC探測(cè)雷達(dá)獲取的車速信息可以用來修正ABS參考車速^[5]。

　　系統(tǒng)選用32位SoC硬件平臺(tái)如Dragon ball核心的MC68EZ328取代原來的16位ABS控制器，提高了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐富。車載雷達(dá)選用法國AutoCruise公司生產(chǎn)的AC10型77GHz毫米波車載雷達(dá)，雷達(dá)信號(hào)的處理采用DSP處理器，并通過CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動(dòng)收發(fā)、容錯(cuò)和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達(dá)1 Mbps。采用CAN通信提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性^[6]，并為系統(tǒng)功能擴(kuò)展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　汽車ABS/ASR/ACC系統(tǒng)軟件集成化的難點(diǎn)是：在保證控制實(shí)時(shí)性的前提下如何進(jìn)行中斷管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)十分必要。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能合理分配軟、硬件資源，實(shí)時(shí)進(jìn)行多任務(wù)并行處理，為系統(tǒng)進(jìn)行HAC(坡起輔助系統(tǒng))與EBD(電子制動(dòng)力分配系統(tǒng))等功能擴(kuò)展提供了條件，同時(shí)支持多線程的軟件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用VxWorks，任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式策略。ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)中的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配策略如表1所示?；诓僮飨到y(tǒng)和任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定，具體的ABS、ASR和ACC控制功能由API調(diào)用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。集成系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。