“所有控制器齐头并进”:Cortex-M CPU 为何是汽车微控制器的理想之选

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cathy 发布于:周三, 01/04/2023 - 14:35 ,关键词:

随着汽车行业不断加速发展,Arm Cortex-M CPU 成为车内微控制器 (MCU) 的理想之选。本文将为您详细阐述背后的原因。

在软件定义汽车 (SDV)[1]  的新时代,为了应对供应安全方面的挑战,汽车行业正在经历一场前所未有的变革。这使得整个行业的计算架构和供应链也随之演变。

核心计算组件

SDV 的计算平台由三个核心组件组成。用于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的中央计算,可提高自动驾驶能力,并实现一般的车辆计算功能;多个区域控制器,可充当配电和数据连接枢纽,并支持各种实时汽车功能;最后,还有多个集成到电子控制单元 (ECU) 中的终端微控制器,可支持整个计算平台的单功能操作,包括传感器、驱动和硬件控制。

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汽车计算平台内部一览

所有 MCU 控制器将成为汽车计算平台中重要的一环,而采用 Arm Cortex-M CPU[2] 的 MCU 在这之中将发挥决定性作用。这些 MCU 将提供所需的功能、功耗、可扩展性和通用架构,为汽车行业的计算转型提供支持。

软件定义汽车

在深入研究 MCU 和 Cortex-M CPU 的作用之前,有必要先思考一下 SDV 的决定因素。我们预计 SDV 提供汽车软件更新的方式将类似于如今在智能手机上进行的定期更新,其中包括对系统的更新通知,或是可能由驾驶员要求的车辆功能改进。例如,可以升级转向系统以实现更灵敏的“运动型”操控,也可以向 ADAS 添加新功能以获得更多驾驶辅助,或者升级电池管理系统以增加汽车的续驶里程。为了实现这些更新,SDV 还将需要一个云原生环境,能够先在云端创建和测试软件,然后再将其部署到汽车中。

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展望未来 SDV 的内部情况

MCU 的崛起

尽管新车的电子/电气 (EE) 架构趋于集中化,但在整个汽车行业中,MCU 的销量和功能都将有所增加。据 Strategy Analytics[3] 分析,在 2021 年至 2026 年期间,MCU 的销量将增长约 8%,超过汽车产量的增速。这些 MCU 将推动远程边缘传感点的部署,以低功耗和高效率控制车内的特定操作,并适配 SDV 的新软件架构。

MCU 的功能和计算能力一直在更新迭代。随着需求的持续扩大,MCU 已从 8 位扩展到 16 位,随后又扩展到 32 位。事实上,有许多最小节点在不断地发展并迁移到 32 位控制器,同时,Arm 的汽车合作伙伴也致力于在 2023 年推出新的 32 位产品 (敬请期待后续相关发布)。

由于无线更新 (OTA) 贯穿未来 SDV 的整个生命周期,MCU 需要不断提供可信的执行环境和更强大的安全功能,以防止恶意软件非法访问隐私、法律或财务等方面的重要信息,或导致可能致命的严重事故。功能安全也是汽车的重要标准。对于可能提供关键测量和作动功能的终端 MCU 而言,功能安全更是至关重要,因此,这些 MCU 必须具备功能安全特性。

Cortex-M 的作用

Cortex-M CPU 可提供未来汽车计算平台中 MCU 所需的各项功能。汽车合作伙伴之所以为其 MCU 选择 Cortex-M,是因为该产品系列能够提供通用架构、功能安全、先进的信息安全以及广泛的生态系统支持。例如,Elmos[4]就计划在其新一代汽车 MCU 中采用一系列 Cortex-M 产品。

通用架构

近期的全球供应状况已经对汽车行业产生影响。有时,终端 MCU 的供应不足会导致汽车无法出货。由于替代控制器的选择很少,汽车需要等到这些关键组件有货后才能出货。因此,部署标准化 MCU 计算架构有助于提高灵活性,可填补供应缺口。

凭借 30 年来与汽车行业伙伴的合作经验,Arm 拥有多样化且可扩展的计算核心产品组合,从高性能中央计算到高能效终端 MCU,可满足各种汽车应用的需求。这就提供了一种通用架构,设计公司和开发者得益于各种汽车应用中所使用的可扩展硬件和软件,节省了工程时间和成本。展望新的 SDV,拥有这种通用架构将有助于实现软件开发和部署以及 OTA 更新。

功能安全

功能安全能够为汽车系统中的安全关键型应用提供支持,通过侦测和报告可能导致危险情况的故障,帮助降低对人和环境造成的风险。随着自动驾驶等新技术的出现,功能安全愈发重要,同时继续为确立已久的安全关键型需求提供支持。对功能安全的需求还扩展到了工业、航空航天和轨道交通等汽车以外的其他应用市场。

Cortex-M 系列可为嵌入式控制器的所有性能点提供安全功能,使 Arm 的合作伙伴能够开发可扩展的安全关键型系统。合作伙伴可借助 Cortex-M85[5]、Cortex-M55[6] 和 Cortex-M23[7] 自带的诸多功能安全特性,有效地实现安全方面的目标。

来自广泛软件生态系统的支持则为基于 Cortex-M CPU 的安全关键型开发提供了大量经安全认证的软件和工具。而 Arm 的合作伙伴以及更广泛的开发者社区可以轻松获取这些软件和工具。Arm 还为安全工具和软件提供原生支持,例如 Arm 的功能安全运行时系统 (FuSa RTS)[8]、软件测试库[9]和 Arm 嵌入式编译器[10]

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信息安全

正如功能安全一样,市场对加强网络安全的需求也在与日俱增,以防范对乘用车构成严重威胁的恶意软件攻击。如今,黑客攻击已经造成严重的安全隐患,尤其随着汽车自动驾驶水平的提高,情况更是如此。在防止未经授权的信息访问方面,信息安全同样必不可少。Upstream 发布的《2022 年全球汽车网络安全报告》[11]指出,在 2020 年和 2021 年报告的安全事故中,有 87.7% 源于车辆数据和代码受到的威胁。

联网 SDV 遭到的攻击面有所增加,因此需要考虑整个车辆的信息安全,而不仅仅是高性能节点的信息安全。必须在汽车的整个生命周期内考虑对边缘 MCU 的保护,同时还需考虑汽车的其他部分,包括软件更新在内。

在处理器层面,这意味着要能够信任正在执行的代码,并具备信息安全以减少虚假软件攻击。Cortex-M CPU 被越来越多地用于在中央和区域计算架构中执行安全系统管理和启动管理服务。通过 Armv8-M 架构,TrustZone[12] 被引入整个 Cortex-M 系列中。Cortex-M23 和 Cortex-M33[13] 是率先支持由 TrustZone 提供的硬件强制分离及安全性的处理器。这可确保包括软件、CPU、互连、存储器和外围设备在内的整个系统的安全。

通过 Armv8.1-M 架构,处理器中还添加了更多增强型的信息安全功能。Cortex-M85 中包含指针身份验证代码 (PAC) 和分支目标识别 (BTI),有助于抵御返回导向和跳转导向的软件攻击。

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Arm 生态系统

随着 SDV 继续在汽车行业发挥更加重要的作用,一级供应商、车厂和开发者正在设法优化软件开发时间和成本。Arm 架构迄今已完成逾 2,000 亿次部署,这一庞大规模促使工具、操作系统和软件库供应商在其产品中增加 Arm 支持,从而实现经济高效的软件开发。对于 Cortex-M 处理器,Arm 的生态系统合作伙伴可为 IDE、编译器、调试和追踪工具及软件提供广泛支持。Arm 还制定了通用微控制器软件接口标准 (CMSIS)[14],从而提供一致且标准化的软件构建块。基于上述这些,汽车开发者可以从众多选项中进行选择,以缩短上市时间并降低开发风险。

推动汽车行业发展

新型 SDV 的计算要求将促使汽车行业对于在车辆计算平台中部署大量 MCU 提出更加广泛且持续的需求,并要做到“所有控制器齐头并进”。Cortex-M CPU 所具备的高能效计算、可扩展性、功能安全和信息安全等功能将为 MCU 的广泛普及提供助力。除产品功能以外,Arm 还拥有全球最大的软件生态系统之一,可为实现无缝集成和出色开发体验提供更广泛的支持。基于 Cortex-M 的 MCU 有助于推动 SDV 等新型汽车的发展,这将使 Arm 成为汽车行业未来发展的重要基石。

备注:[1] - [14] 的来源可参见原文,欢迎点击阅读原文:https://www.arm.com/blogs/blueprint/cortex-m-automotive-microcontrollers

本文作者:Arm 汽车事业部产品管理总监 James Scobie

来源:Arm社区

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