嵌入式系統(tǒng)是泛計算領域的重要組成部分，是嵌入到對象宿主體系中完成某種特定功能的專用計算機系統(tǒng)^[1]。嵌入式系統(tǒng)有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點。隨著汽車技術的發(fā)展以及微處理器技術的不斷進步，在汽車電子技術中得到了廣泛應用。目前，從車身控制、底盤控制、發(fā)動機管理、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術的支持。
1 汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程
　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，經(jīng)歷了漫長的獨立發(fā)展的單片機道路^[2]。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的發(fā)展類似，汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個發(fā)展階段：
　　第一階段：SCM(Single Chip Microcomputer)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核心，將CPU和外圍電路集成到一個芯片上，配置了外部并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統(tǒng)。硬件結構和功能相對單一、處理效率低、存儲容量小、軟件結構也比較簡單，不需要嵌入操作系統(tǒng)。這種底層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務相對簡單、數(shù)據(jù)處理量小和實時性" title="實時性">實時性要求不高的控制場合，如雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤以及電動門窗等。
　　第二階段：MCU(Micro Controller Unit)系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如A/D轉換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結構比較復雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡單的實時任務，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動懸架以及發(fā)動機管理系統(tǒng)等。
　　第三階段：SoC(System of Chips)系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對海量離散時間信號要求快速處理的場合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴展的嵌入式應用需求，不斷提高處理速度，增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實時多任務" title="多任務">多任務處理能力，同時與網(wǎng)絡的耦合更為緊密^[3]。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術在汽車電子上的高端應用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴展、邏輯漸趨復雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術的發(fā)展趨勢。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領域。
2 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)
2.1 技術特點
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向實時多任務管理、網(wǎng)絡耦合與通信的高端應用過渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實時性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，它還具有以下幾個優(yōu)點：
　　(1)對實時多任務處理有很強的支持能力，中斷響應時間1～2μs；
　　(2)具有很強的存儲區(qū)保護功能；
　　(3)在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下能合理進行任務調度，充分利用系統(tǒng)資源；
　　(4)硬件結構和軟件功能都有很強的擴展能力，系統(tǒng)集成度大大提高，降低了成本；
　　(5)超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為毫瓦級；
　　(6)系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強，適應高溫、潮濕、振動和電磁輻射等各種工作環(huán)境；
　　(7)實時操作系統(tǒng)支持軟件多線程結構，增強了系統(tǒng)的軟件抗干擾性；
　　(8)提供強大的網(wǎng)絡通信功能，具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動軟件，提供容錯數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。
2.2 系統(tǒng)結構
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理器和外圍設備，軟件包括應用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過數(shù)據(jù)結構、算法和通訊協(xié)議實現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運行平臺，執(zhí)行具體控制。
　　汽車嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來越高，一般為模塊化結構，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴展實時時鐘模塊、SRAM(靜態(tài)隨機存儲器)及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲器，支持RISC技術、多級流水線技術與在片調試技術。系統(tǒng)的實時處理能力、可靠性和網(wǎng)絡通信能力大大增強^[4]。

　　現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務協(xié)調控制，軟件越來越龐大，越來越復雜，使得汽車嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車嵌入式SoC系統(tǒng)軟件的典型結構。它采用基于標準化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設計，系統(tǒng)內部通訊由交互層直接完成，保障應用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡層擁有數(shù)據(jù)流處理能力，是不同系統(tǒng)層面間信息交換的中間接口，能最大程度地整合系統(tǒng)資源。嵌入式實時操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺模式，使用總線驅動層和硬件抽象層管理I/O端口，合理分配CPU資源，采用基于優(yōu)先級的事件管理策略，通過API(應用程序接口)調用應用程序，根據(jù)郵箱、消息隊列和信號量機制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務。
2.3 常用的SoC系統(tǒng)平臺
　　為適應汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展潮流，各國的半導體和軟件制造商紛紛推出相應的嵌入式SoC產(chǎn)品。
　　著名的SoC硬件平臺包括：Intel公司的StrongArm核心處理器" title="核心處理器">核心處理器，擁有32位RISC數(shù)據(jù)總線、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片調試、三級流水線技術和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心處理器，它是32位RISC處理器，擁有16.85MHz時鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心處理器，它是64位RISC芯片，擁有300MHz時鐘和603MIPS的處理速度，集成統(tǒng)一的L2高速緩沖存儲器、DRAM控制器、PCI－X網(wǎng)橋和10/100MAC設備。著名的SoC軟件平臺即實時操作系統(tǒng)包括：QNX公司的QNX、Wind River公司的VxWorks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實時、微核、基于優(yōu)先級、消息傳遞、搶占式多任務、多用戶分布式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，擁有模塊化結構，內核運行高速穩(wěn)定，通信能力和擴展裁剪能力很強。
　　在上述平臺中，StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統(tǒng)在汽車SoC系統(tǒng)中有著良好的應用前景。
3 SoC系統(tǒng)的典型應用
　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)充分適應了汽車的工作環(huán)境和技術要求，在汽車電子技術上廣泛應用。其中北京理工大學正在研究的汽車ABS/ASR/ACC集成化控制系統(tǒng)具有代表性。
　　ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)是綜合了制動防抱死功能(ABS)、驅動防滑功能(ASR)和自適應巡航功能(ACC)的汽車新型主動安全系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖2所示。其在硬件上充分利用各個子系統(tǒng)的現(xiàn)有元件，輪速傳感器、發(fā)動機轉速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、加速踏板傳感器和探測雷達組成傳感器網(wǎng)絡，共用控制器和執(zhí)行元件。在軟件上應用信息融合、集中控制技術，通過對制動力矩和發(fā)動機輸出功率的綜合調節(jié)實現(xiàn)汽車制動防抱死、驅動防滑和自適應巡航功能?？刂七^程充分考慮三個邏輯模塊上的相互關系，實現(xiàn)信息融合共享，例如ABS與ASR的車輪滑動率計算可以統(tǒng)一，ACC探測雷達獲取的車速信息可以用來修正ABS參考車速^[5]。

　　系統(tǒng)選用32位SoC硬件平臺如Dragon ball核心的MC68EZ328取代原來的16位ABS控制器，提高了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐富。車載雷達選用法國AutoCruise公司生產(chǎn)的AC10型77GHz毫米波車載雷達，雷達信號的處理采用DSP處理器，并通過CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動收發(fā)、容錯和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達1 Mbps。采用CAN通信提高了控制系統(tǒng)的實時性^[6]，并為系統(tǒng)功能擴展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓撲結構如圖3所示。

　　汽車ABS/ASR/ACC系統(tǒng)軟件集成化的難點是：在保證控制實時性的前提下如何進行中斷管理和協(xié)調各項任務的優(yōu)先級，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實時操作系統(tǒng)十分必要。實時操作系統(tǒng)能合理分配軟、硬件資源，實時進行多任務并行處理，為系統(tǒng)進行HAC(坡起輔助系統(tǒng))與EBD(電子制動力分配系統(tǒng))等功能擴展提供了條件，同時支持多線程的軟件結構，增強了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用VxWorks，任務調度采用基于優(yōu)先級的搶占式策略。ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)中的任務優(yōu)先級分配策略如表1所示。基于操作系統(tǒng)和任務優(yōu)先級設定，具體的ABS、ASR和ACC控制功能由API調用應用程序實現(xiàn)。集成系統(tǒng)軟件結構如圖4所示。