數字式儀表群設計的挑戰

　　數字式儀表群必須支持高性能實時處理需求(就像現有的消費級顯示平臺)，同時顯著提升設計的長期可靠性。汽車市場的OEM廠商(原始設備制造商)、一級供應商和客戶絕不會將顯示故障視為消費級電話或個人電腦經常發生的小問題。新的數字式儀表群需要打造一種簡單易用、排除干擾的信息環境，從而促進安全駕駛，這類產品必須確保出色的性能水平以及長期的可靠運行，同時承受苛刻而惡劣的工作環境(例如，-40～+105℃的極端溫度范圍)。汽車行業在環境、安全和質量方面的這些嚴苛要求導致開發周期極為漫長，有時開發一項車輛顯示技術需要耗時3年，甚至更久。

　　汽車設計的規劃、設計和驗證流程極為系統，以便找出并消除運行或可靠性方面的問題。此過程中，汽車設計師選擇的電子元件供應商通常都采用TS16949等品質要求嚴格的設計方法開發產品，并且符合汽車電子委員會(AEC)苛刻的AEC-Q100標準。

　　一旦供應商推出量產系統，零配件供應商就必須持續監測其內部和外部的可靠性能，必要時采取糾正措施，確保缺陷零部件的百萬分率(dppm)降到零。OEM廠商和一級供應商同樣希望自己的供應基地能夠提供長期的產品支持和可用性;一旦部署汽車嵌入式系統，再想停止就會產生高昂的成本，有時根本不可能為了支持壽命周期短暫的零部件而重新驗證一款設計。某些情況下，重新驗證的成本可能高達數十萬美元。

　　數字式儀表群采用的圖形內容與日俱增，導致信息顯示系統更加精密復雜，這就不僅需要提高其性能水平，同時必須仍能可靠地完成基本目標，即通知駕駛人員基本的車輛和安全信息。例如，數字式儀表群必須能在車輛發動之后以接近即時的方式提供車輛狀態信息，通常不到一秒就能在TFT屏幕上顯示重要的變速箱擋位信息(即P、R、D、1、2、3)。這就要求儀表群能夠瞬間啟動，而要實現這一點，設計師就需要仔細研究關鍵系統和零部件層面的性能表現。即使只是在車輛發動前提供胎壓不足警告這樣看似簡單的信息，都能夠預先主動減少潛在的安全問題。

　　儀表群從模擬系統向數字系統的過渡令人興奮，但如上所述，這種過渡同樣會提升復雜程度，設計師不得不發覺創新解決方案，滿足苛刻的系統需求，例如實時顯示性能、長期高度可靠及大幅削減成本等。

　　我們將研究如何以利用可靠而又極具成本效益的方式提供這些基本信息。

　　圖1是一張高級數字式儀表群示意圖。車輛的中央系統級芯片(SOC)通過其通信網絡以及內部或外部存儲器獲取輸入數據，并輸出至TFT顯示屏。數字式儀表群采用的系統架構同很多消費級高性能顯示平臺類似。

圖1 高級數字式儀表群示意圖

　　汽車和消費級顯示平臺都需要大容量存儲器來支持各自龐大的數字內容;如今的汽車設計之中，3D圖形內容、32位色彩、高分辨率和大顯示屏的出現導致存儲密度必須達到2Gb。

　　為創建內容豐富的顯示系統，該內容通常包括大字符集、多種字體、圖形影像以及多語言擴展支持。數字式儀表群幀緩沖會依照行業標準技術生成并顯示。SOC顯示控制器會在系統顯示屏上渲染某一幀，同時SOC/圖形引擎會訪問內部或外部存儲器，獲取、處理、保存幀緩沖中的下一組數據，以供后續顯示之用。當今的SOC需要以高帶寬訪問駐留在外部存儲器中的可靠代碼和數據，從而確?？焖傧到y啟動和高速實時處理。

數字式儀表群架構和存儲器子系統的取舍

　　存儲器架構和設計實施會影響嵌入式系統的性能等級和可靠性。我們會評測若干種存儲器架構，以便闡述采用當前技術可以實現的某些性能/成本取舍。首先，圖2簡單概括了標準代碼映射存儲器架構，高性能嵌入式顯示系統通常都采用這一架構。

圖2 標準代碼映射存儲器架構

　　系統控制器或通用處理單元(GPU)的集成度很高，囊括了圖形引擎、顯示控制器，不僅提供限定容量的RAM和閃存存儲器選擇，同時依然提供外部存儲器接口，從而滿足數字儀表群對于高性能和高密度存儲器的需求。外部存儲器分為兩種標準產品：DRAM和閃存。嵌入式系統的啟動主要分為3個步驟：首先是代碼/數據從閃存映射到DRAM，然后處理器、DRAM和其他關鍵部件進行初始化，最后是執行應用程序。一旦開始執行代碼，即會顯示有用的信息。這種架構擁有若干關鍵特性。SOC/DRAM的高速訪問能力可以提升實時處理功能的性能表現。系統初始啟動時間主要取決于映射和初始化的時間，而映射時間則取決于SOC/Flash訪問帶寬以及從閃存傳輸至DRAM的數據密度。

　　如前所述，高端數字式儀表群必須在車輛發動之后能以接近即時的形式提供當前的車輛狀態。檔位信息(即P、R、D、1、2、3)通常需在一秒之內顯示在TFT屏幕上。這就要求閃存支持高速訪問、超高存儲密度和長期數據完整，以滿足基本設計和質量需求，同時要求確定采購責任，確保產品長期供貨穩定。

　　目前，閃存供應商可提供多種非易失存儲器(NVM)技術，其中應用最廣的兩種技術就是NOR和NAND閃存。兩者在各方面具有不同的性能特點，例如：訪問能力、可靠程度、產品生命周期和成本。汽車SOC通常支持多種接口配置，以訪問外部并行和串行NOR閃存，而NAND閃存接口正逐漸得到越來越廣泛的支持。

　　請注意，SOC NAND接口的某個動態變量決定了所需的ECC支持級別，尤其是考慮到NAND正快速過渡到光刻技術。NOR方面，頁模式和同步NOR閃存將繼續滿足汽車行業的嚴苛要求。例如，雪佛蘭Volt的E-Flex儀表群等新型高端數字式儀表群設計采用飛思卡爾(Freescale)的MPC5121e型SOC和Spansion的S29GL512N閃存。Spansion GL頁讀取訪問技術支持高速讀取訪問，其數據吞吐速率高達80MB/s，完全可以滿足Volt E-Flex儀表群的需求，確保其在汽車啟動之后的一秒鐘之內顯示變速箱擋位(即P、R、D、1、2、3)。

　　汽車芯片組和閃存供應商的不斷創新催生出極具成本效益的全新混合數字式儀表群架構(如圖3所示)。系統控制器(Freescale Spectrum)和閃存(Spansion Multi I/O SPI)可以優化TFT顯示架構，提供更具成本效益的入門級儀表群解決方案。系統控制器通過嵌入式閃存執行代碼，同時利用高帶寬多I/O SPI協議加載來自外部閃存的圖形數據。圖形數據在內部幀緩沖區進行處理并保存，然后直接顯示到TFT屏幕上。這種大膽創新的混合架構無需外部DRAM存儲器，不僅能夠滿足系統的性能和可靠性需求，同時可以優化成本。

圖3 混合存儲器架構

　　請注意，這種應用程序架構需要數以億計的讀取周期，因而會影響NAND這類技術的可用性。目前，NAND設備用于具有中、高讀取周期的應用時，會出現更多的位干擾錯誤。

　　新型多I/O SPI通信協議可用于系統控制器和外部SPI閃存之間的數據傳輸。多I/O SPI基于流行的串行外圍接口(SPI)，其訪問性能經配置可支持1?4個數據連接。這項功能可將SPI的訪問能力從之前的不到10Mb/s提升至40Mb/s左右。Freescale和Spansion等汽車芯片組和閃存供應商能夠提供各種標準產品，保證設計師充分利用多I/O SPI經過改進的訪問帶寬，從而實現更好地控制成本，同時打造出性能出色的數字式儀表群。某些情況下，可使用兩個四路I/O SPI，支持高達80 MB/s的連續吞吐速率。

　　Spansion的多I/O SPI FL閃存系列依然支持低引腳數串行接口，而且支持更高的讀取帶寬，堪比目前的多引腳數閃存設備。Spansion SPI FL系列同樣可以滿足中高存儲密度和長期數據完整的要求，能夠在高達105℃的工作環境中保持正常運行，同時符合AEC-Q100標準。