Automobilelektronik Fein abgestimmte Mikrocontroller

In einem durchschnittlichen Automobil werkeln Dutzende von Mikrocontrollern - Tendenz steigend. Auch die Rechenleistung dieser Bausteine muss mit den steigenden Ansprüchen der Autofahrer Schritt halten. Dafür gibt es nun eine neue Mikrocontrollerfamilie mit vielen, sehr fein aufeinander abgestimmten Derivaten.

Mit dem »RH850« stellt Renesas zur electronica die nächste Generation leistungsstarker Mikrocontroller für zukünftige Automobil-Anwendungen vor - die erste 32-Bit-RISC-Familie unter dem neuen Produktnamen »RH«. Die neuen Produkte vereinen die wesentlichen Eigenschaften der bisherigen Mikrocontroller »V850« und »SuperH« des Unternehmens in einer neuen Familie.

Betrachtet man zunächst die CPU und einige Systemeigenschaften, so lässt sich hier die Weiterentwicklung des 32-Bit-CPU-Cores des V850 erkennen. Dieser erlaubt Taktfrequenzen bis zu 320 MHz, bietet optional eine Fließkomma-Einheit (FPU) sowie eine Selbsttest-Funktion, um den Anforderungen der ISO 26262 (Funktionale Sicherheit) entsprechen zu können.

Im Befehlssatz des RH850-Cores implementierten die Entwickler weitere Verbesserungen, um bei gleicher Taktfrequenz eine höhere Rechenleistung zu erzielen. Dazu wurden hauptsächlich die Befehle des V850-Cores mit variabler Codegröße mit einigen ausgewählten effizienten Befehlen des SH-Cores zusammengefügt. Konkret zeigen erste Messungen des EEMBC-Benchmarks rund 2,06 CoreMark/MHz für den »RH850/F1L« im Vergleich zum vorherigen »V850E2/Fx4-L« mit 1,55 CoreMark/MHz.

Spezielle Flash-Technologie

Renesas hat sich bei der neuen RH850-Familie für einen 40-nm-Prozess in Verbindung mit der MONOS-Flash-Technologie (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) entschieden. Im Vergleich zum bisher verwendeten 90-nm-Prozess ist es hier möglich, die gesamte Chipfläche auf etwa 25 Prozent zu reduzieren. Beim Einsatz eines 65-nm-Prozesses wäre nur eine Reduktion auf etwa 50 Prozent der bisherigen Chipfläche möglich gewesen. Dadurch hat Renesas versucht, die Grundlage für ein breit angelegtes Familienkonzept zu schaffen, bei dem vorgesehen ist, den integrierten Flash-Speicher von 256 KByte bis 8 MByte zu skalieren.

Im Verhältnis von rund 1 zu 10 wird das RAM in Größen von 32 KByte bis 768 KByte angeboten. Um Daten und Parameter, die auch nach dem Abschalten der Versorgungsspannung erhalten bleiben sollen, zu speichern, stehen zusätzlich kleine Flash-Blöcke zur Verfügung, welche die Funktion eines EEPROMs emulieren. Dabei können als kleinste Einheit Daten von 4 Byte geschrieben werden.

Das sogenannte Data-Flash steht in den Größen 32 KByte, 64 KByte und 128 KByte zur Verfügung. Der Automobilbereich stellt hohe Erwartungen an Langlebigkeit und damit den Erhalt der Daten im Flash-Speicher. Hierzu bietet der RH850 nach 125 000 Schreib-/Lesezyklen einen Datenerhalt von mindestens 20 Jahren für das Daten-Flash.

Die Zugriffsgeschwindigkeit von 120 MHz im Single-Cycle-Random-Access auf den internen Flash-Speicher lässt sich dadurch realisieren, dass man für die Zellen-Lesespannung und den CPU-Core den gleichen Versorgungsspannungsbereich verwenden kann. Dadurch ist es möglich, die Leselogik im gleichen CMOS-Prozess wie den Core zu fertigen und somit auf den Einsatz von aufwendigen Ladungspumpen zu verzichten. Dies beschleunigt Lesezugriffe und verringert die Stromaufnahme.

Ein weiterer Vorteil: Auf zusätzlichen Cache-Speicher unterhalb einer Frequenz von 100 MHz kann man verzichten. Durch den Einsatz spezieller Transistoren mit sehr geringem Leckstrom erreicht der neue Mikrocontroller eine typische Stromaufnahme von 0,5 mA/MHz im Normalbetrieb, während der Zielwert für die maximale Stromaufnahme bei 0,75 mA/MHz liegt. Im Vergleich zu Produkten von Mitbewerbern mit 90-nm-Technologie halbiert sich somit die Stromaufnahme, wie man bei Renesas betont.

Stromaufnahme minimieren

Bei der Neuentwicklung von Steuergeräten sind heutzutage »intelligente« Systeme gefordert, um die Stromaufnahme auf das absolut mögliche Minimum zu reduzieren. Dabei geht es nicht nur um eine geringe Stromaufnahme der Einzelkomponenten im Normalbetrieb, sondern auch um ein effektives Konzept, den Energieverbrauch im Ruhezustand zu minimieren. Dies verhindert, dass nach drei Wochen Urlaub die Batterie leer ist und das Fahrzeug nicht mehr starten kann.

Bei Steuergeräten der Karosserieelektronik sind für den Ruhezustand nicht mehr als 100 µA für das gesamte Steuergerät erlaubt. Teile des Mikrocontrollers müssen dabei aktiv bleiben, um auf äußere Ereignisse reagieren zu können. Dies ist bei allen Steuergeräten der Fall, die nach Abschalten der Zündung noch aktiv bleiben müssen, weil jederzeit eine Aktion durch den Fahrer ausgelöst werden kann.

Konkret sind dies das Türmodul (Zentralverriegelung), die Alarmanlage oder ein Dachmodul zur Steuerung der Innenraumbeleuchtung. Um hier eine effektive Lösung zum Erreichen des Ruhestroms anbieten zu können, bietet der RH850 einen neu entwickelten Sequenzer (Bild 1). Dieser kann einen zyklischen Aufweckprozess steuern, bei dem analoge und digitale Signale erfasst werden können, ohne die CPU benutzen zu müssen.

In einem weiteren Modus des Sequenzers ist es sogar möglich, Nachrichten auf dem LIN-Bus zu versenden und zu empfangen sowie bei Bedarf den Mikrocontroller aus dem Ruhezustand in den Normalbetrieb oder wieder in den Stoppzustand zu versetzen. Der zyklische LIN-Modus verbraucht weniger als 200 µA, der Port-Polling-Modus weniger als 40 µA. Der RH850 berücksichtigt die Anforderungen aus allen Segmenten der Automobil-Elektronik. Renesas teilt diese Segmente in die Bereiche Body (F), Instrumentation/Dashboard (D), Powertrain (E), Chassis/Safety (P), Airbag (R), Audio (S) und Advanced-Driver-Assistent-Systems (V) ein.

Wie bereits in der Vergangenheit bei den V850-Produkten kennzeichnen die Buchstaben in Klammern die jeweilige Produktserie beim RH850 (z.B. »RH850/F1x« für die erste Generation von Body-Mikrocontrollern) (Bild 2). Um Anwendungen mit ASIL B bis D unterstützen zu können, sind neben den einfachen Single-Core-Implementierungen auch Lösungen mit zwei, drei und vier Cores (Double Redundant) vorgesehen.

ASIL-B-relevante Anwendungen können zum Beispiel mit den Produkten der F-Serie (Body) und R-Serie (Airbag) entwickelt werden, die bereits über eine entsprechende Hardware zur Unterstützung der funktionalen Sicherheit verfügen und des Weiteren einen Selbsttest der CPU in Software erlauben.

Weitere Hardwarefunktionen sind ein CRC-Modul zum Schutz von Programmcode und Daten, ECC (Error Correcting Code) für den gesamten integrierten Speicher (Flash, RAM, Cache), Überwachung von Takterzeugung und Spannungsversorgung, bis zu drei Watchdog-Timer zur allgemeinen Software-Überwachung sowie eine MPU (Memory Protection Unit) zum Schutz vor unerlaubten Speicherzugriffen. Diese Peripherien sind ein fester Bestandteil der RH850-Familie.

Die Bausteine der P-Serie für Anwendungen im Bereich Chassis und Safety werden mit einer Lock-Step-Technologie ausgerüstet, um auch der Anforderung an ASIL D gerecht werden zu können. Alle Produkte der Mikrocontrollerfamilie werden nach der Norm ISO 26262 entwickelt. Auch für die Sicherheitsstandards SHE (Secure Hardware Extension) und EVITA sind die Produkte vorbereitet und bieten die nötige Hardware-Unterstützung in Form der »Intelligent Cryptographic Unit« (ICU) an.

Verfügbarkeit

Die Produkte der F-Serie, deren erste Muster im zweiten Quartal 2013 verfügbar sein sollen, eignen sich für Steuergeräte der Karosserieelektronik (Body) wie Klimasteuergerät, Sitzverstellung, Fensterheber oder Zentralsteuergerät. Diese Bausteine teilen sich in die Bereiche Low, Mid, High und Ultra auf und decken dabei Gehäusegrößen vom QFP mit 48 Pins bis zum BGA mit 357 Pins ab.

Der integrierte MONOS-Flash-Speicher startet in der kleinsten Ausbaustufe bei 256 KByte und endet mit 8 MByte in der High- und Ultra-Serie. Die Derivate der Low- und Mid-Serie sind als Single-Core ausgelegt und erlauben Taktfrequenzen von 80 MHz bis 120 MHz. Dual-Core- und Triple-Core-Produkte der High- und Ultra-Serie arbeiten mit 120 MHz beziehungsweise 160 MHz.

Ab der Mid-Serie beinhaltet der Core zudem eine Fließkomma-Einheit. Zur Vernetzung der Steuergeräte stehen die Schnittstellen LIN, CAN, FlexRay sowie Ethernet zur Verfügung. Für Gateway-Anwendungen sind zusätzliche Kommunikationsschnittstellen wie USB und MLB geplant. Die Bausteinpalette der F-Serie ist so konzipiert, dass in der jeweiligen Untergruppe (Low, Mid, High und Ultra) ein Satz an Peripherien verbaut ist, der in jedem Produkt vorkommt.

Zu diesen Peripherien gehören unter anderem Key-Return-Interrupts, die CRC-Einheit, ein DMA-Modul mit mindestens 16 Kanälen, eine 16-Bit-Timer-Einheit mit 16 Kanälen, interne Low-Speed- und High-Speed-Oszillatoren sowie Spannungs- und Taktüberwachung. Je nach Gehäusegröße stehen weitere Schnittstellen wie CAN, LIN und FlexRay, PWM-Ausgaben mit Diagnosefunktion, weitere Timer-Module mit 32 Bit Auflösung sowie analoge Funktionen zur Verfügung.

Über den Autor:

Michael Spandick ist Senior Engineer für den Bereich MCU Marketing  Body Control Systems von Renesas Electronics Europe.