MCU的内存如何影响区域和域控架构

cengjili

为了满足用户对舒适度、安全性和自动驾驶功能的需求，车载ECU(电子控制单元)的数量不断增加。然而ECU数量的增加也给汽车制造商带来了更多挑战。因此，全球大多数汽车制造商正在从传统的分布式 ECU 架构过渡到基于域或区域的 ECU 架构。

在分布式的架构中，所有的功能紧密交互，难以管理系统的复杂性和实时性，域控架构目的是将分散的控制链路，整合到单个大型ECU中(如图1所示)。例如将在新能源车上，将整车控制器、电池管理系统、电机控制器整合至一个控制器中。



图1 域控架构

区域(Zonal)架构是将来自多个域的多个ECU 进行整合，并减少整车线束的数量(如图2所示)，线束数量的减少有望降低车辆的重量和线束的复杂性，重量的降低可以提升纯电车型的续航里程。对于车辆中众多的ECU，可以根据实际情况，选择使用域架构还是区域架构，充分利用两种架构的优势。



图2 区域架构

区域和域架构都支持硬件和软件生命周期的分离。两者都允许汽车制造商在不更改组件的情况下更新和升级车辆软件。这些新架构还支持软件定义汽车概念，可以在最短的时间内推出新的功能和车型。

内存需求的变化

首先，与传统分布式架构中使用的MCU相比，域和区域架构需要提供更高计算能力的 MCU。当前域架构中需要主频为400MHz的多核实时MCU。符合这种条件的MCU有的具有多达6个Arm Cortex-R52 内核或者Tricore内核，其中多达 4 个内核以锁步配置运行，以执行实时错误检查。

尽管 MCU 内核和工作频率是系统架构师常用的参考规格，但非易失性存储器 (NVM) 也对整体系统性能和成本产生重大影响。尽管如此，NVM的规格是最容易被忽视的。例如，两个具有相同内核和工作频率的 MCU 在计算性能、功耗以及可靠性方面可能会因其使用的NVM类型和读写速度而存在显著差异。NVM类型和NVM读写速度也会影响 MCU 的固件升级能力。

新架构中的NVM限制

通常在计算系统中，NVM用于存储代码和数据。大多数通用 MCU使用的是Flash，其类型通常是浮栅或某种CT(charge-trap) NOR Flash。这些NVM中的大多数的读写速度都非常慢，甚至支持的最大频率低于20 MHz。

对于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，内存需要大约 15 个等待状态。因此，即使 CPU 以 400 MHz 运行，在 CPU 执行指令之前，需要 15 个周期才能从内存中获取指令。MCU 使用缓存来最小化这些等待状态，但是缓存也是通过一套算法来预测下一条执行的指令，当预测失效时，还是需要临时从内存中获取，这种等待还是在所难免。

虽然随着技术的创新，NOR Flash的读写速度有明显提高，在技术工艺上，当前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常复杂的high-k金属栅极前端技术中集成这些存储单元的困难，成本显著增加。

大部分区域控制器选择的MCU都是28nm制程的，这样可以最大限度的提高集成度，并且允许支持超大型应用程序所需的大容量NVM，最大可能需要20MB，但是由于OTA需要AB分区策略，这样就需要MCU的NVM最大可达40MB。

对于这种情况，一些区域 MCU要么没有NVM，采用外挂形式，要么作为双芯片系统级封装 (SIP) 出售。这些 MCU 通常具有较大的 RAM ，可以将代码放入RAM中执行，尽管此解决方案提供的计算性能比嵌入式闪存稍好，但基于区域和域的应用程序存在一些缺点。

首先MCU 在启动时需要加载 RAM 内容所需的启动时间较长。尽管信息娱乐系统在车辆启动时需要一点时间来启动是可以的，但延长启动时间对于管理车门控制、转向控制、照明和其他关键功能的域和区域来说是不可接受的，当前主机厂大部分要求是MCU必须在200ms左右完成启动，这种加载到RAM执行是做不到的。另外RAM 的另一个缺点是它比 NVM的功耗更高。

另一个需要考虑的问题是系统成本。在MCU中放置一个大RAM来运行应用程序代码将比嵌入式NVM更昂贵。然后，无论外部NVM是作为SIP集成在包本身中，还是挂载在板上，它都会增加成本，使系统成本更高。

在系统中，与 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻转率——通常是由于辐射，通常称为软错误率 (SER)。这会影响系统的可靠性。为了支持最高级别的可靠性，用于汽车应用的最新 MCU 支持端到端纠错码(ECC)。外部 NVM 不支持端到端 ECC，这会导致可靠性降低，需要针对性采用额外的技术手段。

PCM在区域和域架构中的优点

ePMC(Embedded phase change memory,嵌入式相变存储区)的内部横截面图如图3所示。ePCM存储元件的集成比28 n制程的NVM在汽车应用中使用的双多晶硅闪存单元便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不会干扰复杂的高 k 金属栅晶体管结构。



图3 相变存储器 (PCM) 单元结构

另外与NVM不同，ePCM 中的写入操作不需要高电压。因此，ePCM可以与标准晶体管一起工作，而闪存需要专用的高压晶体管来管理。所有这些因素都会影响可制造性和成本。

与 NOR 或 NAND 闪存不同，PCM 的工作原理是基于锗锑碲 (GST) 合金的电阻率变化。这种合金根据快速的温度变化改变电阻率，而电阻率决定了位状态。图 4显示了如何在 PCM 中设置或重置位。



图4 PCM写入过程如何进行位变换

因此，与NOR 闪存相比，ePCM 支持快速读写访问。写入时间的显著减少是因为 ePCM 在写入之前不需要擦除操作。此功能还大大缩短了大型存储区和域 MCU 的工厂编程时间，从而降低了制造成本。

此外，ePCM 还提供与NVM相媲美的可靠性和耐用性优势。同时，ePCM允许模拟真正的 EEPROM 的单个bit的可更改性。这显著减少了系统写入时间。此外，由于它只对目标位进行操作，因此单位写入不会影响相邻存储单元的寿命。

开垦者

针对您所提及的问题，MCU（微控制器）内存对区域和域控架构的影响至关重要。随着对舒适度、安全性和自动驾驶功能需求的提升，ECU数量增加，集成复杂度也相应提升。域控架构将多个功能整合至单一大型ECU中，以提升效率和管理便利性。而MCU内存容量的提升是实现这一转变的关键，它确保了更多数据能实时处理与存储，保证系统的响应速度与稳定性。内存越大，ECU能处理的数据量就越大，支持的功能就越丰富。因此，为满足未来汽车智能化需求，汽车制造商需持续优化MCU内存配置，以适应区域和域控架构的发展趋势。

huangguang

针对您的需求，MCU内存对区域和域控架构的影响体现在：

随着区域和域控制架构的普及，ECU数量减少而功能集成度提高，对MCU内存的需求也随之增长。更大的内存意味着更强大的数据处理能力，这对于满足用户对舒适度、安全性和自动驾驶功能的需求至关重要。更多的内存可以存储更多算法和实时数据，提升计算效率，保证系统响应速度和稳定性。此外，优化内存分配和管理也是提高域控制器性能的关键，直接影响系统可靠性和运行效率。因此，MCU内存管理是汽车架构设计中的关键因素之一。以上仅针对文中提问作出的简单概述。后续分析和方案应围绕汽车领域相关技术特点展开。

mqh0386

针对您所提到的关于MCU内存对区域和域控架构的影响，以下是我的专业回复：

MCU内存容量的提升是实现域控制架构的关键要素之一。随着ECU数量的增加和功能的整合，域控制单元所需处理的数据量急剧增长。内存容量的扩展允许更复杂的算法运行，实现更高性能的驾驶辅助功能。这不仅提升了车辆的舒适度和安全性，也为自动驾驶功能的实现提供了可能。内存的优化分配和管理使得域控制器能够实时处理来自不同域的信息，保证系统运行的协同性和响应速度。因此，为满足未来的汽车智能化需求，持续推动MCU内存技术的发展是汽车制造商不可忽视的重要方向。图1所示架构展示了内存和其他技术协同工作以实现域控制的示例。随着技术的进步，我们还将看到更多创新性的解决方案来应对这一领域的挑战。