Safety
Cortex-R4-Mikrocontroller für das Automobil
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der TMS570 aus funktionaler Sicht
Zusätzlich zu den funktionalen Anforderungen der Software können Kommunikation, Sicherheits- und Diagnosefunktionen und standardisierte Software-Architekturen (z.B. AUTOSAR) zu hohen Anforderungen an die Rechenleistung des Mikrocontrollers führen. Derzeitig verfügbare TMS570LS-Bausteine beinhalten zwei Cortex-R4F-CPUs, die im Lock-Step-Betrieb arbeiten und bis 160 MHz (>250 DMIPS) getaktet werden können, zusammen mit je einer doppelt genauen Gleitkomma-Einheit (FPU -- Floating Point Unit) für schnelle 32-bit- und 64-bit-Gleitkomma-Operationen nach IEEE 754. Die FPU- und Integer-Operationen können parallel abgearbeitet werden, um eine höhere Rechenleistung zu erzielen. Die FPU erleichtert die Software-Entwicklung, da Steuer- und Regelungsalgorithmen zunehmend mit modellbasierten Code-Generatoren entwickelt werden, deren Ergebnisse dann als Gleitkomma-Programmteile in das Gesamtprojekt integriert werden.
Beim High-End-Timer-Modul (NHET) des TMS570 handelt es sich um einen Timer-Co-Prozessor, der über spezielle Instruktionen frei programmiert werden kann. Ein Programm steuert dabei bis zu 32 frei als Ein- oder Ausgang konfigurierbare Anschlüsse an. Dieses Programm wird während der System-Initialisierung in den RAM-Speicher des NHET kopiert. Während des Betriebes kann die CPU neue Werte auf Datenfelder im NHET-RAM schreiben, um z.B. Pulsweiten-Modulation durchzuführen oder Capture-Werte auszulesen. Um die CPU-Last zu verringern, können diese Schreib- oder Lesezugriffe auch per DMA oder von der HTU (High-End-Timer-Transfer-Unit), einem NHET-spezifischen DMA-Controller, durchgeführt werden. Aufgrund des hohen Maßes an Flexibilität kann der NHET sehr spezielle Timer-Anforderungen realisieren, aber auch klassische wie die PWM-Ansteuerung eines Elektromotors oder das Einlesen von Sensor-Signalen. Es besteht mit dem NHET auch die Möglichkeit, Ablaufsteuerungen ohne CPU-Last zu implementieren, die z.B. abhängig von den Eingangsignalen Ausgangssignale oder Zustandsinformationen verarbeiten.
Zur Wandlung von analogen Sensor-Signalen integrieren die derzeitigen TMS570LS zwei A/D-Wandler mit 12 bit Auflösung und mit 24 Eingangskanälen. Um die CPU-Last zu verringern, wurden beide MibADC-Module jeweils mit einem eigenen, mehrfach-gepufferten RAM-Speicher ausgerüstet, in dem bis zu 64 Wandlungsergebnisse pro Modul abgespeichert und zu definierten Zeitpunkten mittels CPU oder DMA ausgelesen werden können. Das NHET-Modul lässt sich in vielfältiger Weise konfigurieren, um A/D-Wandlungen anzustoßen. Für Motor-Anwendungen kann der NHET mehrere A/D-Wandlungssequenzen innerhalb der PWM-Periode zu beliebig programmierbaren Zeitpunkten starten.
Obwohl der Trend eine Integration von Fahrzeugfunktionen in eine geringere Zahl elektronischer Steuergeräte zeigt, spielen die Kommunikationsschnittstellen eine wichtige Rolle. Zur lokalen Kommunikation oder zur Anbindung an das übergeordnete Fahrzeug-Kommunikationssystem können die integrierten FlexRay- oder CAN-Module verwendet werden. Für das FlexRay-Modul wurde zum Auslesen der Daten ohne CPU-Interaktion eine FlexRay-Transfer-Einheit (FTU) implementiert, ähnlich wie bei einem DMA. Weiterhin können Sensoren und ASICs über das SPI- oder das LIN/SCI-Modul mit dem Controller verbunden werden. Beide Module verfügen über eigene RAM-Speicher, auf die die zu sendenden oder zu empfangenden Daten zwischengespeichert werden können.
Die verwendeten Cores von ARM wurden speziell für den Automobilbereich entwickelt und werden von vielen Halbleiter-Herstellern als CPUs verwendet. Die Vorteile liegen in einer Standardisierung, die es vielen Drittanbietern ermöglicht hat, diese CPU-Cores mit Entwicklungswerkzeugen und Software-Komponenten zu unterstützen. FlexRay-Treiber und AUTOSAR-Pakete sind für den TMS570LS verfügbar.
Am Horizont der TMS570-Roadmap stehen Derivate mit 4 Mbyte Flash-Speicher basierend auf zwei Cortex-R4F-CPUs im Lock-Step-Betrieb, der allerdings zur getrennten simultanen Abarbeitung unterschiedlicher Programme auch auftrennbar ist. Die Verwendung von Cache wird bei diesen Derivaten noch höhere Rechenleistungen ermöglichen, unterstützt durch einen zusätzlichen On-Chip-I/O-Prozessor.
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