英飞凌Aurix™2GTC3xx入门介绍

作者 | 林Nova

出品 | 汽车电子与软件

本文主要介绍Infineon Aurix™ 2G TC3xx系列芯片。

英飞凌AURIX™ 2G TC3xx系列是针对汽车电子应用设计的高性能微控制器系列。这一系列产品采用了英飞凌的第二代AURIX（Automotive Realtime Intelligence eXtended）架构，满足功能安全ASIL-D，旨在满足汽车领域对安全性、性能和效率的严格要求。

AURIX™ 2G芯片从TC32X一直到旗舰的TC39X，覆盖多个性能和功能区间，给用户提供了较大的选择空间。下图是该系列芯片的官方命名规则：

自2018年发布以来，AURIX™ 2G TC3xx系列被众多主机厂以及零部件供应商选为控制器主控芯片，即MCU，与瑞萨RH850、恩智浦S32等系列共同占据着车规MCU的主流市场。   

2.1 内核介绍

我们知道，每款芯片都需要有内核架构，或者说内核指令集，比如ARM内核、RSIC-V内核等。

英飞凌Aurix™ 2G TC3XX系列芯片的内核架构是一种混合架构，同时结合了精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的特征，称为TriCore内核架构（以下简称TriCore）。它是一款专门为实时性进行了优化的32位的单核（这里的单核并非指芯片的单核，而是系统架构只涉及一个核，多核之间相互独立，区别于多核架构）嵌入式系统架构。并因此配套形成了独具特色的TriCore指令集系统。之所以命名为TriCore，是因为其集成了RISC架构、DSP架构和实时系统的技术于一体，形成了兼具三方优势的内核架构。

TriCore架构采用了RISC-V的高性能load/store数据处理模式，同时具有DSP的数据处理能力。TriCore是32位计算机系统，因此采用32位地址空间，支持可选的虚拟地址空间。

AURIX™ 2G TC3xx系列使用的是TriCore 1.6.2版本的内核，采用同构的方式，组成多核芯片。

2.2 上下文机制

TriCore内核独创了一种上下文保存机制，采用独立的Context Save Area（CSA）内存区域，将函数调用、中断、Trap等的上下文（寄存器、返回地址、PSW等）与栈进行隔离，大大提高了上下文的安全性。而且利用硬件自动保存、读取的机制，很大程度上提高了系统的实时性。   

2.3 中断系统

TC3xx系列芯片采用的是一种中断路由的方式，通过IR模块去接收所有外设请求，然后路由到指定的CPU或DMA，进行中断服务（Service Request）。   

其使用了中断服务例程与优先级绑定的中断向量表管理，极大程度上方便了中断的应用。

2.4 异常处理系统

TriCore具有完善的异常捕捉系统，称为Trap系统，其将异常分为8类，通过异常向量表进行管理，发生异常后由硬件进行上下文保存，并迅速跳转至异常处理例程中，极大程度提升了实时性。

3.1 架构总览

MCU芯片包括CPU（内核）、辅助核、总线、存储系统、外设以及外部接口等，是计算处理和交互的总和。因此除了内核架构以外，芯片的架构设计也至关重要。下图是英飞凌官方的芯片架构示意图： 

从图中我们可以看到，Aurix™ 2G TC3xx系列最多支持6个核，支持锁步功能，内核主频最高支持300MHz，且每个核集成了最多240kB数据RAM（Data Scratch Pad RAM, DSPR）,配备16kB的DCache；每个核集成了最多64kB的程序RAM（Program Scratch Pad RAM，PSPR），配备32kB的PCache。Program Flash最多有16MB，被分成与核数量对等的物理块，每个核与其耦合的PFlash之间有内部接口，加速程序取值。

除了内核以外，TC3xx系列还集成了其他核。包括硬件安全模块（Hardware Security Module，HSM）、休眠控制器（Standby Controller，SCR)等，能够单独进行软件开发，与主核以核间通信方式进行交互。

另外还有一些IP核，以外设的形式集成到TC3xx系列中，如通用定时器（Generic Timer Module，GTM)、硬件信号加速单元（Signal processing unit，SPU）、千兆MAC（ETH MAC）等等。这些外设核为MCU提供各种复杂的硬件功能。

除此之外，TC3xx对于对于嵌入式领域常用外设，具有丰富的支持，如DMA、ADC、SPI、CAN、I2C等。

我们可以看到，图上各个模块之间，有两条灰色的线进行连接，一个是用于传递数据的System Resource Intercoonect，SRI总线；一个是用于外设控制的System Peripheral Bus，SPB外设总线。

TC3xx系列内部有三种总线：  

• System Resource Interconnect Fabric (SRI Fabric)；

• System Peripheral Bus (SPB)；

• Back Bone Bus (BBB)。

其中SRI总线用于将CPU、DMA或者其他高带宽请求设备连接到内存，用于进行数据访问或程序取指。

SPB外设总线用于将CPU、DMA或者其他SPB总线的主设备，连接到外设（一般为中低速），用于外设访问控制。

BBB总线用于将CPU、DMA或其他SPB总线的主设备，连接到ADAS资源。BBB总线使用较少，仅用于ADAS相关功能，本文不展开介绍。

3.2 总线

下图为SRI总线示意图：

我们通过上图来介绍TC3xx SRI总线结构。首先在6核架构中，前4个核及其耦合的内存连接到SRI0中，剩余两个核则连接到SRI1中。SRI0和SRI1通过S2S进行桥接。对于核内耦合的DSPR、PSPR和PFlash，通过本地总线接口进行访问，如果跨核则需要通过SRI总线。   

而对于挂在SRI总线上的设备（SRI Agent），存在主/从之分，对于CPU、DMA等进行数据存取的模块，属于Master，而DSPR、PSPR、PFlash这些被访问的内存单元，则属于Slave。所有挂在SRI总线上的Master都可以访问其上的Slave，这样的多对多连接方式形成了XBar结构，如下图所示。

SRI为Master提供了Master Connection Interfaces（MCI）接口，用于连接Master与SRI总线，对于Slave则提供了Slave Connection Interfaces（SCI）接口。SRI总线负责进行从设备的访问仲裁，以在多Master同时访问Slave时解决冲突。其连接关系如下图所示：   

而SPB总线主要用于CPU进行各个外设的控制、数据收集，包括寄存器读写等。

4.1 存储结构

TC3xx系列的内存类型主要有以下几种：

• Data Scratch Pad RAM：DSPR，核内数据RAM；

• Program Scratch Pad RAM：PSPR，核内程序RAM，可在启动时将Flash中部分代码拷贝到次，以提升取指速度；

• Distributed LMU memory：DLMU，分布式核外RAM，一般作为多核共享RAM；

• Program Flash：PFlash，程序flash，用于存储代码和常量，也就是我们使用刷写工具刷写的地方。 

   

TC3xx系列的内存系统采用的是内核耦合设计，以上4种内存类型，每个核都有配套。

我们从上图可以看出，对于核内耦合的相关内存，可以通过内部总线进行访问，速度快于SRI总线。但是对于跨核访问，也并不需要做额外的操作，可以说是无感，在这一点上对于多核系统设计非常友好，只是速度会略有差距。参考下表关于数据访问的时钟延迟。

4.2 地址映射  

TC3xx地址映射以Segment进行划分，每个Segment对应最高字节。

DSPR和PSPR一般是按照核进行地址分配的，比如DSPR0位于0x7000 0000（具体尺寸取决于具体型号），DSPR1位于0x6000 0000，其他核依此类推。而PSPR0位于0x7010 0000，PSPR1等依此类推。

对于Programe Flash，则位于以0x8000 0000起始的区域，比如PFlash0位于0x8000 0000，PFlash1位于0x8030 0000，依此类推。

Segment 8与Segment A对应的是相同的物理空间，只不过通过Segment 8访问是Cached，而通过Segment A访问则不经过Cache，没有其他区别。  

DLMU则位于Segment 9：

同样，DLMU也有跨Cache访问的地址Segment B，其与Segment 9在物理上对应同一块区域：

作为车规级定制芯片，TC3xx系列为汽车行业应用提供了丰富的外设功能。下面我们针对常用的外设进行简要介绍。

5.1 DMA

TC3xx系列支持最多128通道的Direct Memory Access（DMA），DMA设备通过SRI总线连接各个内存单元，具有灵活、高速的DMA搬运设置。

另外TC3xx系列芯片进行了独具特色的连接设计，将硬件信号通过中断路由器传递至DMA，以实现从各类定时器、通讯外设到DMA的触发链路，以配合实现较为复杂的数据处理逻辑，大大解放了CPU的计算能力。

5.2 CAN

作为车规MCU，CAN是最重要的通讯方式，虽然当下车载以太网发展迅速，但是CAN网络仍然是众多主机厂电子电器架构的重要组成部分。   

TC3xx系列采用了Bosch的M_CAN内核，符合ISO 11898-4协议，支持J1939协议，支持CAN2.0b标准，支持最多64字节的CANFD，支持5Mbit/s的波特率，且在时钟高达80MHz的情况下可扩展至8Mbit/s。

TC3XX系列最多集成3个M_CAN模块，每个模块包含4个CAN Node，也就是最多支持12路CAN。每个Node拥有64个接收Buffer和32个发送Buffer。另外也可进行灵活的FIFO、Queue配置。

5.3 Ethernet

随着智能汽车的发展，车载以太网也逐渐普及，尤其在智驾和座舱领域，因此对于车规MCU来说，Ethernet MAC模块已然成为标配。

英飞凌Aurix™ 2G TC3xx系列芯片的GETH模块采用的是新思科技（Synopsys）的内核，全称DesignWare Cores Ethernet Quality-of-Service（DWC_ether_qos）。

DWC_ether_qos通常用于嵌入式系统或网络设备中，可以帮助实现更可靠的数据传输、更低的延迟和更好的网络性能。

TC3xx系列中除了旗舰的TC39X系列具有两个GETH模块，即支持两路MAC，其他大部分型号都只支持一路MAC。支持10Mbps\100Mbps的RMII协议以及1000Mbps的RGMII协议（部分中低型号不支持RGMII），提供符合IEEE 802.3-2008的MAC、MII协议。

5.4 STM、GPT12定时器

TC3xx的每个核都集成了一个64位不间断的定时器System Timer（STM），可用于软件计时、定时功能，同时还可用于Os的硬件Counter。

而从芯片层级，TC3xx系列集成了General Purpose Timer Unit (GPT12) ，分为GPT1和GPT2两个子模块，提供最多5路定时器功能，支持单次、连续定时，也可作为Os的硬件Counter。

5.5 GTM

在电机控制领域，或者一些传感器来说，PWM信号的发送和采样对于MCU来说是非常重要的功能。另外在某些场景下，存在信号边缘计数、时间戳等功能，这时候就不得不依赖于高精度的定时器。   

除了芯片自身的STM和GPT定时器，TC3xx还系列集成了Bosch的Generic Timer Module（GTM），最高支持200MHz时钟频率，且提供自由度极高的分频配置，提供最高24位宽的定时器功能。

GTM具有多个子模块，模块可单独工作，包括高精度定时功能、PWM波输出功能和ICU波形监控功能，也可进行组合实现各种复杂功能，如电机半桥死区输出功能、霍尔电机控制功能等。也可作为Os的硬件Counter。

GTM模块具有独立的内核，支持对其进行编程调试，也可作为芯片外设，通过外设寄存器进行访问控制。Aurix™ 2G系列芯片中集成的版本为GTM IP v3.1.5.1，支持作为外设使用，通过SPB总线控制，且与芯片内部其他模块如中IR中断路由模块、Adc模块等进行了连接设计，可配合实现复杂外设功能，同时解放CPU负载。

5.6 LIN

TC3xx系列中的LIN通讯通过ASCLIN模块来实现，支持LIN version 1.3、LIN version 2.0、LIN version 2.1&2.2、J2602。

5.7 Flexray

FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式结合起来，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点。FlexRay能满足传统的CAN方案不能满足的汽车线控系统（X-by-Wire）的要求，更多的使用在地盘领域。

TC3xx集成了E-Ray模块，用来实现Flexray相关协议。支持FlexRay™ protocol specification v2.1，最高支持10 Mbit/s通信速率。

5.8 其他通信模块

除了上述以外，TC3xx还支持常规的SPI、I2C、Uart、Hssl等标准的板载级通信模块，供用户进行丰富的外设控制。

5.9 Port

TC3xx系列中提供多组引脚，一组引脚称为Port，每个Port有最多16个Pin脚，支持丰富的驱动特性，如驱动强度，偏移率，上拉/下拉，推挽或开路漏极操作，选择TTL或CMOS/自动输入电平。每个Pin脚最多可通过寄存器配置7种复用功能，这对硬件电路设计提供了极大的便利。  

TC3xx的引脚还具备急停功能，能够根据急停输入，截断所配置引脚的输出功能。

5.10 ADC

Infineon Aurix™ 2G TC3xx中有两个ADC模块，一个是增强型Delta-Sigma模数转换器（Enhanced Delta-Sigma Analog-to-Digital Converter，EDSADC），该模块转换速度快，主要为了配合旋变控制器进行电机控制；另一个就是增强型多功能模数转换器（Enhanced Versatile Analog-to-Digital Converter，EVADC），采用逐次逼近式转换原理进行模数转换。

6.1 OTA功能

OTA（Over-The-Air，空中升级）技术当今已经逐渐普及，这就要求MCU具有与之匹配的特性。TC3XX提供了一种A/BSwap的无感升级方案，在物理上将Flash分区A区和B区，升级时升级备份分区，然后由Flash硬件进行地址映射翻转，实现对于App无感的升级方案。此方案下App无需进行地址适配，升级失败也能维持原有版本的运行。   

6.2 Overlay

测量标定是车载控制器不可或缺的功能，尤其是电机、地盘等领域，因此就需要MCU支持Overlay功能。

TC3xx支持最多4MB Overlay内存空间，支持重定向的内存包括LMU、DSPR、PSPR等，支持重定向到PFlash、OLDA等。可配置32字节到128kB不等的32块区域，分别进行重定向。

6.3 Wdg   

TC3xx系列支持内部WatchDog功能，每个核配备一个独立的Wdg硬件模块，除此之外，系统还配备一个SafetyWdg。

6.4 ADAS

TC3xx系列还为智驾相关控制器提供了定制化的额外功能，比如Peripheral Sensor Interface（PSI5）用来与外部核进行通讯；

Signal Processing Unit（SPU）用于对来自一个或多个专用ADC接口的数据执行快速傅里叶变换。  

Radar Interface（RIF）模块用于配合SPU与外界最多4个ADC信号进行连接，用于快速处理雷达等传感器数据。

本文介绍了英飞凌Aurix™ 2G TC3xx系列芯片，包括内核、芯片架构和外设等。 

参考资料：

1. Infineon-AURIX_TC3xx_Architecture_vol1-UserManual-v01_00-EN.pdf

2. Infineon-AURIX_TC3xx_Part1-UserManual-v02_00-EN.pdf

3. Infineon-AURIX_TC3xx_Part2-UserManual-v02_00-EN.pdf   

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