數(shù)字式儀表群設(shè)計的挑戰(zhàn)
數(shù)字式儀表群必須支持高性能實時處理需求(就像現(xiàn)有的消費級顯示平臺)，同時顯著提升設(shè)計的長期可靠性。汽車市場的OEM廠商(原始設(shè)備制造商)、一級供應(yīng)商和客戶絕不會將顯示故障視為消費級電話或個人電腦經(jīng)常發(fā)生的小問題。新的數(shù)字式儀表群需要打造一種簡單易用、排除干擾的信息環(huán)境，從而促進安全駕駛，這類產(chǎn)品必須確保出色的性能水平以及長期的可靠運行，同時承受苛刻而惡劣的工作環(huán)境(例如，-40～+105℃的極端溫度范圍)。汽車行業(yè)在環(huán)境、安全和質(zhì)量方面的這些嚴(yán)苛要求導(dǎo)致開發(fā)周期極為漫長，有時開發(fā)一項車輛顯示技術(shù)需要耗時3年，甚至更久。
汽車設(shè)計的規(guī)劃、設(shè)計和驗證流程極為系統(tǒng)，以便找出并消除運行或可靠性方面的問題。此過程中，汽車設(shè)計師選擇的電子元件供應(yīng)商通常都采用TS16949等品質(zhì)要求嚴(yán)格的設(shè)計方法開發(fā)產(chǎn)品，并且符合汽車電子委員會(AEC)苛刻的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。
一旦供應(yīng)商推出量產(chǎn)系統(tǒng)，零配件供應(yīng)商就必須持續(xù)監(jiān)測其內(nèi)部和外部的可靠性能，必要時采取糾正措施，確保缺陷零部件的百萬分率(dppm)降到零。OEM廠商和一級供應(yīng)商同樣希望自己的供應(yīng)基地能夠提供長期的產(chǎn)品支持和可用性;一旦部署汽車嵌入式系統(tǒng)，再想停止就會產(chǎn)生高昂的成本，有時根本不可能為了支持壽命周期短暫的零部件而重新驗證一款設(shè)計。某些情況下，重新驗證的成本可能高達數(shù)十萬美元。
數(shù)字式儀表群采用的圖形內(nèi)容與日俱增，導(dǎo)致信息顯示系統(tǒng)更加精密復(fù)雜，這就不僅需要提高其性能水平，同時必須仍能可靠地完成基本目標(biāo)，即通知駕駛?cè)藛T基本的車輛和安全信息。例如，數(shù)字式儀表群必須能在車輛發(fā)動之后以接近即時的方式提供車輛狀態(tài)信息，通常不到一秒就能在TFT屏幕上顯示重要的變速箱擋位信息(即P、R、D、1、2、3)。這就要求儀表群能夠瞬間啟動，而要實現(xiàn)這一點，設(shè)計師就需要仔細研究關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件層面的性能表現(xiàn)。即使只是在車輛發(fā)動前提供胎壓不足警告這樣看似簡單的信息，都能夠預(yù)先主動減少潛在的安全問題。
儀表群從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的過渡令人興奮，但如上所述，這種過渡同樣會提升復(fù)雜程度，設(shè)計師不得不發(fā)覺創(chuàng)新解決方案，滿足苛刻的系統(tǒng)需求，例如實時顯示性能、長期高度可靠及大幅削減成本等。
我們將研究如何以利用可靠而又極具成本效益的方式提供這些基本信息。
圖1是一張高級數(shù)字式儀表群示意圖。車輛的中央系統(tǒng)級芯片(SOC)通過其通信網(wǎng)絡(luò)以及內(nèi)部或外部存儲器獲取輸入數(shù)據(jù)，并輸出至TFT顯示屏。數(shù)字式儀表群采用的系統(tǒng)架構(gòu)同很多消費級高性能顯示平臺類似。
圖1 高級數(shù)字式儀表群示意圖
汽車和消費級顯示平臺都需要大容量存儲器來支持各自龐大的數(shù)字內(nèi)容;如今的汽車設(shè)計之中，3D圖形內(nèi)容、32位色彩、高分辨率和大顯示屏的出現(xiàn)導(dǎo)致存儲密度必須達到2Gb。
為創(chuàng)建內(nèi)容豐富的顯示系統(tǒng)，該內(nèi)容通常包括大字符集、多種字體、圖形影像以及多語言擴展支持。數(shù)字式儀表群幀緩沖會依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生成并顯示。SOC顯示控制器會在系統(tǒng)顯示屏上渲染某一幀，同時SOC/圖形引擎會訪問內(nèi)部或外部存儲器，獲取、處理、保存幀緩沖中的下一組數(shù)據(jù)，以供后續(xù)顯示之用。當(dāng)今的SOC需要以高帶寬訪問駐留在外部存儲器中的可靠代碼和數(shù)據(jù)，從而確保快速系統(tǒng)啟動和高速實時處理。
數(shù)字式儀表群架構(gòu)和存儲器子系統(tǒng)的取舍
存儲器架構(gòu)和設(shè)計實施會影響嵌入式系統(tǒng)的性能等級和可靠性。我們會評測若干種存儲器架構(gòu)，以便闡述采用當(dāng)前技術(shù)可以實現(xiàn)的某些性能/成本取舍。首先，圖2簡單概括了標(biāo)準(zhǔn)代碼映射存儲器架構(gòu)，高性能嵌入式顯示系統(tǒng)通常都采用這一架構(gòu)。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)代碼映射存儲器架構(gòu)
系統(tǒng)控制器或通用處理單元(GPU)的集成度很高，囊括了圖形引擎、顯示控制器，不僅提供限定容量的RAM和閃存存儲器選擇，同時依然提供外部存儲器接口，從而滿足數(shù)字儀表群對于高性能和高密度存儲器的需求。外部存儲器分為兩種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品：DRAM和閃存。嵌入式系統(tǒng)的啟動主要分為3個步驟：首先是代碼/數(shù)據(jù)從閃存映射到DRAM，然后處理器、DRAM和其他關(guān)鍵部件進行初始化，最后是執(zhí)行應(yīng)用程序。一旦開始執(zhí)行代碼，即會顯示有用的信息。這種架構(gòu)擁有若干關(guān)鍵特性。SOC/DRAM的高速訪問能力可以提升實時處理功能的性能表現(xiàn)。系統(tǒng)初始啟動時間主要取決于映射和初始化的時間，而映射時間則取決于SOC/Flash訪問帶寬以及從閃存?zhèn)鬏斨罝RAM的數(shù)據(jù)密度。
如前所述，高端數(shù)字式儀表群必須在車輛發(fā)動之后能以接近即時的形式提供當(dāng)前的車輛狀態(tài)。檔位信息(即P、R、D、1、2、3)通常需在一秒之內(nèi)顯示在TFT屏幕上。這就要求閃存支持高速訪問、超高存儲密度和長期數(shù)據(jù)完整，以滿足基本設(shè)計和質(zhì)量需求，同時要求確定采購責(zé)任，確保產(chǎn)品長期供貨穩(wěn)定。
目前，閃存供應(yīng)商可提供多種非易失存儲器(NVM)技術(shù)，其中應(yīng)用最廣的兩種技術(shù)就是NOR和NAND閃存。兩者在各方面具有不同的性能特點，例如：訪問能力、可靠程度、產(chǎn)品生命周期和成本。汽車SOC通常支持多種接口配置，以訪問外部并行和串行NOR閃存，而NAND閃存接口正逐漸得到越來越廣泛的支持。
請注意，SOC NAND接口的某個動態(tài)變量決定了所需的ECC支持級別，尤其是考慮到NAND正快速過渡到光刻技術(shù)。NOR方面，頁模式和同步NOR閃存將繼續(xù)滿足汽車行業(yè)的嚴(yán)苛要求。例如，雪佛蘭Volt的E-Flex儀表群等新型高端數(shù)字式儀表群設(shè)計采用飛思卡爾(Freescale)的MPC5121e型SOC和Spansion的S29GL512N閃存。Spansion GL頁讀取訪問技術(shù)支持高速讀取訪問，其數(shù)據(jù)吞吐速率高達80MB/s，完全可以滿足Volt E-Flex儀表群的需求，確保其在汽車啟動之后的一秒鐘之內(nèi)顯示變速箱擋位(即P、R、D、1、2、3)。
汽車芯片組和閃存供應(yīng)商的不斷創(chuàng)新催生出極具成本效益的全新混合數(shù)字式儀表群架構(gòu)(如圖3所示)。系統(tǒng)控制器(Freescale Spectrum)和閃存(Spansion Multi I/O SPI)可以優(yōu)化TFT顯示架構(gòu)，提供更具成本效益的入門級儀表群解決方案。系統(tǒng)控制器通過嵌入式閃存執(zhí)行代碼，同時利用高帶寬多I/O SPI協(xié)議加載來自外部閃存的圖形數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)在內(nèi)部幀緩沖區(qū)進行處理并保存，然后直接顯示到TFT屏幕上。這種大膽創(chuàng)新的混合架構(gòu)無需外部DRAM存儲器，不僅能夠滿足系統(tǒng)的性能和可靠性需求，同時可以優(yōu)化成本。
圖3 混合存儲器架構(gòu)
請注意，這種應(yīng)用程序架構(gòu)需要數(shù)以億計的讀取周期，因而會影響NAND這類技術(shù)的可用性。目前，NAND設(shè)備用于具有中、高讀取周期的應(yīng)用時，會出現(xiàn)更多的位干擾錯誤。
新型多I/O SPI通信協(xié)議可用于系統(tǒng)控制器和外部SPI閃存之間的數(shù)據(jù)傳輸。多I/O SPI基于流行的串行外圍接口(SPI)，其訪問性能經(jīng)配置可支持1?4個數(shù)據(jù)連接。這項功能可將SPI的訪問能力從之前的不到10Mb/s提升至40Mb/s左右。Freescale和Spansion等汽車芯片組和閃存供應(yīng)商能夠提供各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，保證設(shè)計師充分利用多I/O SPI經(jīng)過改進的訪問帶寬，從而實現(xiàn)更好地控制成本，同時打造出性能出色的數(shù)字式儀表群。某些情況下，可使用兩個四路I/O SPI，支持高達80 MB/s的連續(xù)吞吐速率。
Spansion的多I/O SPI FL閃存系列依然支持低引腳數(shù)串行接口，而且支持更高的讀取帶寬，堪比目前的多引腳數(shù)閃存設(shè)備。Spansion SPI FL系列同樣可以滿足中高存儲密度和長期數(shù)據(jù)完整的要求，能夠在高達105℃的工作環(huán)境中保持正常運行，同時符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。