意法半导体在汽车智能网关上的解决方案

关于整车电子电气架构的讨论，不管是在行业论坛还是企业内部，这两年已经非常多了。从传统的分布式架构，到现在大家正在做的功能域架构，再到之后的中央计算平台架构和区域控制器架构，这种趋势基本是行业内共同的认知。

网关作为车内网络与外部网络交互的前哨，在面对电子电气架构的升级，以及整车OTA管理、网络安全、数据安全等越来越重视的趋势下——据IHS Market预测，到2022年，OTA将为全球汽车行业节省350亿美元，也必然会发生了巨大的变化以应对不对复杂的需求。当前以MCU为主控芯片的传统网关难以满足越来越复杂的功能需求，需要新一代智能网关来支持这些功能的部署。

意法半导体(STMicroelectronics，以下简称ST)作为汽车半导体重要的供应商之一，为了满足网关日益增长的功能和安全需求，展示了一种基于MCU+MPU的智能网关解决方案，如图1所示。

其中TCU(Telematics Control Uint)是远程信息处理控制单元，其借助4G网络实现云端与车辆之间的数据上传和下载，而SMARTGATEWAY(以下简称为SGP)是采用的MCU+MPU的方案，其中MPU主要负责整车OTA更新管理数据的实时处理、预测性维护、入侵检测、本地到云端的通信安全、域控制器间的以太网数据交互等，MCU负责CAN和LIN总线的管理以及不同局域网内传统ECU的数据路由和转发。


图1 ST智能网关系统解决方案


图2 SGP的MCU+MPU硬件架构

该方案优势在于提供了双ARM7核的数据能力，集成了软硬件的HSM, ASIL-B 功能安全等级，同时支持Linux, QNX, AutoSAR 系统架构的设计，客户可以轻松设计自己的OTA等应用程序， 不改变硬件，即可以软件定义网关的功能。

基于上述展示的系统解决方案，ST提供了两套硬件方案，第一种为TCU与SGP独立为两块电路板，两者通过车载以太网进行通信；第二种为TCU和SGP整合在一块电路板。另外在软件方面ST为开发人员提供了一个友好的开发环境来进行原型设计，性能分析和各种应用程序示例的演示，同时也会提供相应的硬件设计、软件开发文档，为开发人员提供全方位的技术支持。

在电子电气架构不断升级、网关软件日趋复杂的背景下，ST作为一家重要的汽车半导体供应商，其价值在于为产业链提供合适的MCU和MPU，并支持汽车技术不断升级。

MCU系列

ST的MCU主要分为SPC5和Stellar两个系列，如图3所示。其中已经量产的SPC5系列主要用作传统ECU的主控芯片，例如BMS、VCU、DCDC等，而Stellar系列主要用作新架构下域控制器的主控芯片，例如BDU、网关、ADAS、智能座舱等。


图3 MCU两大系列

基于Power内核的SPC5系列又细分SPC56、SPC57、SPC58三大系列(如图4所示)，分别采用90nm、55nm、40nm制程工艺，主频覆盖48MHz到200MHz，Flash覆盖128KB到10MB。SPC5系列满足从中低端到高端的不同汽车应用，并且针对各种不同汽车应用进行了优化设计，例如SPC58NN、SPC58NE是专门针对发动机管理、传动系统管理、BMS、充电机等应用；SPC574S针对安全性能有更高要求的应用，包括EPS、ESC、ABS及安全气囊控制器等；而SPC58 Chorus(如图5所示)，因为具有硬件安全模块HSM/eHSM、支持CANFD和车载100Mb/1Gb以太网、最高满足ISO26262 ASIL D等级系统需求、支持智能低功耗模式、脚对脚兼容等特性，其主要针对车身控制、高级驾驶员辅助、中、小型网关等应用。


图4 SPC5系列


图5 SPC58 Chorus系列

值得一提的是，由于传统的16位控制器，或者是中低端控制器，对32位芯片的需求越来越高，基于市场上这样的需求，ST决定将SPC56的生命周期从之前承诺的15年，延长至20年，尽可能满足客户的需求。

为了方便开发人员快速上手SPC5系列芯片，ST提供了丰富的软件、开发工具、开发板等资源支持，如图6所示，包括AUTOSAR MCAL、SafetyPack、Security Pack、SPC5 Studio、不同需求的评估板、软件社区等。

其中最值得一提的是SPC5 Studio，其集成了SPC5系列的各种应用成熟示例，以及开源IDE eclispe，开发人员可以通过集成的示例来熟悉芯片的外设使用，另外芯片各个模块的驱动开发也只需通过配置即可实现，极大的方便了开发人员快速掌握芯片的使用。

另外ST也与众多第三方工具厂商有良好的合作，例如AUTOSAR提供商Vector、ETAS、EB以及国内的普华软件等，编译器提供商Hightec、Green Hills、Windriver等，调试器提供商PLS、劳德巴赫、PE、SEGGER等，Security提供商escrypt、EB、ARILOU、ARGUS等。Stellar系列MCU相较于SPC5系列，性能有跳跃式的提升。Stellar集诸多创新于一身，包括拥有6个ST参与开发的Cortex R52内核，采用28nm FD-SOI制造工艺和片上相变存储器(PCM)，主频最高达500MHz。与此同时，Stellar还实现了功耗最小化，即使在恶劣的高温环境下也能保持极低的功耗。


图6 SPC5系列生态

另外为了方便客户从SPC5系列升级至Stellar系列，Stellar芯片在设计之初就考虑与SPC58系列的兼容性，如图7所示，具体体现在：

1、在供电方面，Stellar保留了对5V和3.3V的支持，并且与SPC58一样具有集成式SMPS稳压器的单电源保持能力，另外Stellar拥有额外的模式，以提高其灵活性；

2、模拟IP得到了改进，使两者可以兼容，并且软件接口一直保持先后兼容；

3、大多数数字外设(例如GTM)、IO外设等无需更改即可重复使用，或者通过完全向后兼容进行升级。


图7 Stellar与SPC58的兼容性对比

MPU系列

在MPU方面，ST在智能网关方案中采用针对远程信息处理和连接应用程序的Telemaco3P系列车规级处理器，内嵌隔离式硬件安全模块，其硬件结构如图8所示，拥有丰富的硬件资源，该系列具有以下特性：


图8 Telemaco3P硬件架构

1、拥有两个功能强大的CortexA7核心，一个Cortex M3-200核心。其中CortexA7运行POSIX(Linux、QNX)系统，负责OTA数据接收、存储和更新，TCP/IP网络协议栈的实现、安全启动、OTA管理软件(如AirBiquity,RedBend等）等功能；Cortex M3-200用于运行ClassicAUTOSAR，负责Boot管理、CAN通信等功能。

2、拥有丰富的通信接口，包括CAN、CANFD、Flexray、两路千兆以太网、QSPI、UART等。其中两路以太网，可以实现一路与4G网络模组相连，支持车辆与云端的数据上传和下载，另一路与车身网关相连，实现域控制器间的数据交互或者是以太网刷写，两者结合实现完整的OTA刷写流程，另外该芯片支持外部扩展DDR3内存、NAND和NOR Flash等，用于支持大吞吐量的OTA数据缓存、性能提升等，如图9所示。


图9 Telemaco 3P丰富的通信接口

3、具有独立的硬件安全模块eHSM，支持丰富的对称和非对称加密算法(AES, RSA, ECC)，哈希加密算法以及定制化加密算法，例如对称算法中ECDSA-NIST ECC秘钥的加载和导出，ECDSA-NIST ECC数字签名和验证；AES-128、AES-256非对称算法；SHA-256、SHA-384、SHA-512哈希算法，具体支持的算法如图10所示，除此之外ST还支持厂商定制加密算法。


图10 加密算法

4、该系列最高支持ISO26262 ASIL B等级，并且ST可以为客户提供相应的测试文档、软件，支持客户的功能安全认证，如图11所示。


图11 功能安全支持

除了Telemaco 3P具有强大的硬件性能外，ST还提供了Telemaco3P模块化信息服务处理平台（MTP），为原型开发提供一个开放的开发环境。该平台集成了意法半导体汽车级多卫星系统GNSS Teseo定位芯片和航位推算传感器，能够直连CANFD、FlexRay、BroadR-Reach（100base-T1）等汽车总线和蓝牙、Wi-Fi、LTE、V2X通信等选配模块。

在生态支持方面，ST自身会提供像SPC5系列的一样提供丰富的资源，支持客户的产品开发，包括各种应用程序示例、SecurityPack、Safety Pack、Cortex M3的RTOS和CAN协议栈等、Cortex A7的Linux和U-boot等、AUTOSARMCAL、各类型的评估板等。

除了ST自身提供的资源外，第三方合作厂商也相当丰富，如图12所示，包括：

1、操作系统提供商QNX、GreenHills、Vector等；

2、软件集成商VIRSCIENT、Tieto，值得一提的是Tieto的软件研发服务部和ST正在开发基于Telemaco3P平台的下一代信息服务处理解决方案。Tieto帮助客户集成系统，设计和开发各种安全智能驾驶应用。这些应用将支持高吞吐量的无线连接、无线固件升级以及车间通信解决方案。

3、FOTA提供商Airbiquity、carota等；

4、V2X提供商Unex、Commsignia、Autotalks等；

5、安全服务提供商Karambasecurity、ARGUS、wolfSSl等。


图12 Telemaco 3P 第三方生态以及ST自身的资源支持

以上针对ST面向智能网关以及其他不同领域的MCU和MPU进行了详细的介绍。不管你是在开发面向当下的量产产品抑或者是面向未来的预研产品，ST都可以提供相应的处理器支持，并且可以提供丰富的硬件和软件资源，以及完善的第三方生态支持，帮助开发人员快速上手。