“软件定义汽车”时代，实时处理器为何如此重要？

恩智浦半导体(NXP Semiconductors)日前宣布推出两个新的汽车处理器系列——16nm S32Z和S32E实时处理器，其中，S32Z处理器适合用于安全处理、域控制和区域控制；而S32E处理器适合用于电动汽车(xEV)控制和智能驱动，两款产品均提供千兆级内核主频、多应用隔离和存储器扩展功能、以及增强的安全特性。 

恩智浦半导体资深副总裁，汽车控制及网络解决方案产品线总经理Ray Cornyn认为此次S32平台的扩展意义重大，因为这将允许用户在其新的汽车架构中利用该平台的共性和优势，如Arm Cortex处理器内核、集成硬件安全引擎(HSE)、ISO 26262 ASIL D功能安全支持、通用软件开发环境、以及面向应用的处理器系列。

恩智浦官方将S32定义为一个“控制与计算的平台”。在S32Z和S32E之前，NXP已经发布了负责车身与舒适系统的S32K、负责ADAS与自动驾驶的S32R、以及负责汽车网络的S32G，这些器件支持了多样化的端到端域和区域汽车架构，共同赋能未来的软件定义汽车。

恩智浦为汽车基础设施平台提供端到端解决方案

助力实现新一代软件定义汽车

关于S32Z和S32E系列，《电子工程专辑》向Ray Cornyn提出了2个问题：一是为何选择在此时推出？二是“实时处理”为什么如此重要？

他解释说，之所以要在此时推出S32Z和S32E系列，是因为过去20年来，汽车电子电气架构发生了重大转变——传统架构中，几十甚至上百个单一功能ECU彼此连接，导致车内布线混乱复杂；而现在，电子电气架构向域和区域转换趋势明显，两层平行架构的演进极大推动了汽车行业的转型。例如，通过可扩展的集中式软件开发，部分独立ECU的功能被逐步集成到域ECU上；相邻位置ECU功能的合并，大幅降低了布线和线缆成本。

“现在，虽然软件定义汽车的大趋势是毋庸置疑的，但在实际应用中也的确遇到了不少的挑战，比如很多传统车辆架构不支持软件定义汽车，有些人认为软件定义汽车只应用于信息娱乐系统，来自OEM/一级供应商的不同软件该如何集成等等。”Ray Cornyn表示，希望S32Z和S32E的出现，能让来自不同供应商的软件独立地、互不干扰地运行，能够满足电子电气架构演进对处理器芯片提出的新要求。

而在恩智浦半导体产品和解决方案全球营销总监Brian Carlson看来，从传统意义上的“机械和硬件定义汽车”到现在的“软件定义汽车”，芯片厂商无论推出何种类型的处理器，其架构和处理能力都要能够帮助汽车更好的迎接来自未来的挑战。以越来越普及的电动汽车和自动驾驶为例，它们不但对汽车架构提出了新要求，还要允许车辆和云进行互动，而且新架构还需要在汽车整个生命周期中不断地进行升级。 

“如果OEM厂商希望在未来继续取得成功，就必须要具备这样的能力——更好地利用云端，在汽车整个生命周期内对车辆进行不断的优化(行车距离、安全性和功能性)、对基础设施不断进行升级等等，所有这些都需要新架构的支持才能做到。”Brian Carlson指出，软件定义汽车的本质，归根到底就是要让汽车变得更加智能，并且随着时间的推移，车辆的性能还要越变越好。

至于“实时处理”，众所周知，在计算领域，“实时”指在指定时间段内对事件做出响应。否则，应用可能无法正常工作且运行不安全。汽车中的“实时应用”是指与车辆的动力控制以及驾乘人员舒适性有关的一些应用，包括制动系统、转向系统、电子稳定控制、牵引电机控制，以及电动汽车有关的一些电源转化、车载充电等，这些应用都需要建立在实时、安全控制的基础上。

车载实时应用示例

也就是说，“实时应用”的运行需要始终一致且可预测，需要在规定的最长时间内完成操作执行，需要具备“确定性”。因此，为了满足时序限制，S32Z和S32E系列拥有8个带可分锁步支持特性的Arm Cortex-R52处理器内核，工作频率高达1GHz。相比之前28纳米级别，处理频率300-400MHz的产品，实时处理能力得到了大幅提升。

借助可分锁步功能，设计人员可以在启动时根据应用需求选择不同的处理器内核配置。例如，支持4个锁步对，其中两个锁步对有4个非锁步处理器内核，或者所有8个处理器内核都在非锁步模式下运行，可实现较高的灵活性。

Ray Cornyn并不认为未来ECU在数量方面会有大量的减少，但强调称“在集成度方面会有所提高，而且会出现低端边缘节点的数量提升。”这意味着，随着越来越多的功能性集成，未来在汽车中会出现几个高阶的处理中心，带动软件转移到中心域的控制领域，同时也会有区域控制器来进行流量管理。

独特的设计理念

“多租户架构”和“内核到引脚”硬件虚拟化，是我们认为S32Z和S32E实时处理器采用的非常独特的设计理念。

如下图所示，左侧是传统混合动力汽车的集成控制情况，多个电子电气部件通过串行通信接口连接，且每个单元都与独立的MCU相关联；而在右侧，S32Z和S32E通过统一软件平台对这些功能进行了集成，这意味着多个独立的应用能够在同一处理器芯片中同时运行，NXP把这些应用的硬件资源叫做“租户”，对应的架构被称作“多租户架构”。

多ECU集成示例——推进域控制器

恩智浦半导体大中华区资深市场经理余辰杰表示，多租户的概念允许在一个芯片上运行多个一级供应商的应用，但它们之间是透明的，互不干扰，且这些应用可以通过OTA刷新。因此从本质上说，这就是从以硬件为中心的方法(即通过模块或电子控制单元添加新功能)，向软件定义方法(“虚拟 ECU”在单个多核实时处理器上作为软件任务运行)的转变。

而S32Z和S32E处理器的目标就是提供虚拟ECU之间的隔离，确保免受干扰，就如同它们是单独的ECU一样。为此，NXP在设计中通过“内核到引脚”硬件虚拟化和资源防火墙，为S32Z和S32E处理器提供了新的硬件隔离级别。这种端到端虚拟化可确保每个虚拟ECU只能访问和控制特定的处理、外设、存储器和 I/O，从而将这些虚拟ECU隔离开，并支持对不影响其他虚拟ECU的故障做出单独的响应。 

除此之外，S32Z和S32E还提供高达64MB的集成Flash存储器，以实现零停机时间的大规模无线远程(OTA)升级，并且对于大型应用和AUTOSAR自适应应用，支持LPDDR4 DRAM和就地执行(XiP)模式的Flash扩展存储器。同时，支持24个CAN接口的通信加速器(FlexLLCE)与支持时间敏感网络(TSN)的千兆以太网交换机为“虚拟ECU”无缝提供汽车数据，从而提高效率，简化软件开发。

安全方面，S32Z和S32E处理器通过了ISO/SAE 21434网络安全认证和ISO 26262 ASIL D功能安全认证，内置的硬件安全引擎(HSE)支持安全启动、加速安全服务和密钥管理。

S32Z和S32E处理器的兼容性与可扩展性

根据规划，2023年底，恩智浦将提供S32Z1系列的样品，它具有4个Cortex-R52处理器内核，适用于需要比传统汽车微控制器性能更高的应用，以实现实时应用集成，但性能略低于S32Z2系列。未来，S32Z2/S32E2还将与5nm产品系列实现兼容，从而组成具备高扩展性的产品组合。