深入解析自動駕駛系統(tǒng)中的DCU、MCU、MPU、SoC及整車電子架構(gòu)

摘要

本文探討了自動駕駛中的DCU、MCU和MPU在電子電氣架構(gòu)中的作用，比較了分布式與集中式架構(gòu)的優(yōu)勢，以及ADAS系統(tǒng)從L0-L2+的發(fā)展歷程。著重分析了MCU和MPU的區(qū)別，以及它們在汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化趨勢下的關(guān)鍵角色。

自動駕駛中的DCU、MCU、MPU

1.分布式電子電氣架構(gòu)

2.域集中電子電氣架構(gòu)架構(gòu)

2.1通用硬件定義

3.車輛集中電子電氣架構(gòu)

4.ADAS/AD系統(tǒng)方案演變進(jìn)程梳理

4.1L0-L2級別的ADAS方案

4.2L2+以上級別的ADAS方案

5.MCU和MPU區(qū)別

5.1MCU和MPU的區(qū)別

5.2CPU與SoC的區(qū)別

5.3舉個例子Reference：

什么是域控制器（DCU），對汽車未來電子架構(gòu)有什么影響？自動駕駛域控制器MPU和MCU的區(qū)別DCU：Domain Controller Unit，域控制器MCU：Micro Controller Unit，微控制單元MPU：Micro Processor Unit，微處理單元近年來，SDV（Software Define Vehicles，即軟件定義汽車）概念逐步被整車廠認(rèn)知，根源在于“汽車如何體現(xiàn)差異化”問題的變遷，隨著電動化帶來的汽車電子構(gòu)架革新，汽車硬件體系將逐漸趨于一致，如何構(gòu)建通用化硬件，成為實(shí)現(xiàn)軟件軟件定義汽車的前提基礎(chǔ)。只有把硬件通用化，差異化減少，才能減少對軟件適配的成本，做到真正的軟件定義汽車。下圖為博世2017年在一汽車會議上分享的其在整車電子電氣架構(gòu)方面戰(zhàn)略圖。整車電子電氣架構(gòu)發(fā)展分為了六個階段：模塊化階段->功能集成階段->中央域控制器階段->跨域融合階段->車載中央電腦和區(qū)域控制器->車載云計算階段。

1.分布式電子電氣架構(gòu)

過去十多年的汽車智能化和信息化發(fā)展產(chǎn)生了一個顯著結(jié)果就是ECU芯片使用量越來越多。從傳統(tǒng)的引擎控制系統(tǒng)、安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)；再到智能儀表、娛樂影音系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)；還有電動汽車上的電驅(qū)控制、電池管理系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)，以及蓬勃發(fā)展的車載網(wǎng)關(guān)、T-BOX和自動駕駛系統(tǒng)等等。傳統(tǒng)的汽車電子電氣架構(gòu)都是分布式的，汽車?yán)锏母鱾€ECU都是通過CAN和LIN總線連接在一起，現(xiàn)代汽車?yán)锏腅CU總數(shù)已經(jīng)迅速增加到了幾十個甚至上百個之多，整個系統(tǒng)復(fù)雜度越來越大，幾近上限。在今天軟件定義汽車和汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，這種基于ECU的分布式EEA也日益暴露諸多問題和挑戰(zhàn)。

2.域集中電子電氣架構(gòu)

為了解決分布式EEA的這些問題，人們開始逐漸把很多功能相似、分離的ECU功能集成整合到一個比ECU性能更強(qiáng)的處理器硬件平臺上，這就是汽車 域控制器。域控制器的出現(xiàn)是汽車EE架構(gòu)從ECU分布式EE架構(gòu)演進(jìn)到域集中式EE架構(gòu)的一個重要標(biāo)志。

為了解決分布式EEA的這些問題，人們開始逐漸把很多功能相似、分離的ECU功能集成整合到一個比ECU性能更強(qiáng)的處理器硬件平臺上，這就是汽車 域控制器。域控制器的出現(xiàn)是汽車EE架構(gòu)從ECU分布式EE架構(gòu)演進(jìn)到域集中式EE架構(gòu)的一個重要標(biāo)志。

域控制器是汽車每一個功能域的核心，它主要由域主控處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件及算法三部分組成。平臺化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的主要核心設(shè)計思想。依托高性能的域主控處理器、豐富的硬件接口資源以及強(qiáng)大的軟件功能特性，域控制器能將原本需要很多顆ECU實(shí)現(xiàn)的核心功能集成到一起來，極大提高系統(tǒng)功能集成度，再加上數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)化接口，因此能極大降低這部分的開發(fā)和制造成本。對于功能域的具體劃分，各汽車主機(jī)廠家會根據(jù)自身的設(shè)計理念差異而劃分成幾個不同的域。比如博世劃分為5個域：動力域（Power Train，安全）、底盤域（Chassis，車輛運(yùn)動）、車身域（Body，車身電子）、座艙域/智能信息域（Cockpit/Infotainment，娛樂信息）、自動駕駛域（ADAS，輔助駕駛）。

各個域內(nèi)部的系統(tǒng)互聯(lián)使用現(xiàn)如今常用的CAN和 FlexRay通信總線。而不同域之間的通訊，則由更高傳輸性能的以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)信息交換任務(wù)。在每個功能域中，域控制器處于絕對位置，需要強(qiáng)大的處理功率和超高的實(shí)時性能以及大量的通信外設(shè)來支持對應(yīng)域的功能實(shí)現(xiàn)。域控制器為構(gòu)建新一代的通用、高算力、高帶寬、高安全、可重構(gòu)的汽車電子電氣架構(gòu)，智能電動汽車的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅實(shí)基礎(chǔ)。2.1通用硬件定義域控制器的通用型要求：相關(guān)功能集中，集成MPU/MCU，滿足域內(nèi)功能運(yùn)算能力要求及功能安全要求；集成標(biāo)準(zhǔn)化軟件接口，如AUTOSAR；帶通訊接口，可與整車主網(wǎng)絡(luò)直連，同時與域內(nèi)執(zhí)行器或傳感器通過二級通訊總線進(jìn)行交互，總線類型：車載以太網(wǎng)（TSN）、CAN、LIN、FlexRay…目前，主流車企、零部件企業(yè)產(chǎn)品均按照動力、底盤、車身、座艙、自動駕駛五大域控制器推進(jìn)研發(fā)和商業(yè)化落地。

各分開域控制器介紹可見文章：什么是域控制器（DCU），對汽車未來電子架構(gòu)有什么影響？

3.車輛集中電子電氣架構(gòu)

4.ADAS/AD系統(tǒng)方案演變進(jìn)程梳理

4.1L0-L2級別的ADAS方案早期大多數(shù)L0-L2級別的ADAS系統(tǒng)都是基于分布式控制器架構(gòu)，整個ADAS系統(tǒng)由4-5個ADAS子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)通常是個一體機(jī)整體方案（可以被看作是一個smart sensor），子系統(tǒng)獨(dú)占所配置的傳感器，通常相互之間是獨(dú)立的。以智能前視攝像頭模塊（Intelligent Front Camera Module，F(xiàn)CM）為例，整個子系統(tǒng)ECU主板上包含2顆芯片：一顆是安全核（Safety Core）；另一個顆是性能核（Performance Core）。安全核一般由英飛凌TC297/397之類的MCU充當(dāng)，承載控制任務(wù)，因此需要較高的功能安全等級需求；性能核通常是具有更高性能算力的多核異構(gòu)MPU，會承載大量的計算任務(wù)。下面是一個對L0-L2級別方案的總結(jié)：L0級別方案：實(shí)現(xiàn)各種ADAS報警功能，比如：FCW、LDW、BSW、LCA等。分布式架構(gòu)，通常由FCM、FCR、SRRs、AVS、APA等幾大硬件模塊組成。L1級別方案：完成各種ADAS單縱向核單橫向控制功能，比如：ACC、AEB、LKA等。也是分布式架構(gòu)，硬件模塊組成與L0級別方案大致相同。L2級別方案：完成ADAS縱向+橫向組合控制功能。比如：基于FCM+FCR融合系統(tǒng)，融合前向視覺感知和前雷達(dá)目標(biāo)感知信息，實(shí)現(xiàn)TJA/ICA等功能；或者基于AVS+APA的融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動泊車功能。4.2L2+以上級別的ADAS方案分布式架構(gòu)的ADAS系統(tǒng)存在兩個致命缺點(diǎn)：各個子系統(tǒng)互相獨(dú)立，無法做多傳感器之間的深度融合。各子系統(tǒng)獨(dú)占所配置的傳感器，因此無法實(shí)現(xiàn)跨多個不同子系統(tǒng)傳感器的復(fù)雜功能。當(dāng)整車EE架構(gòu)演進(jìn)到域集中式EEA之后，ADAS域控制器中配置了集成度更高、算力性能更高的計算處理器平臺，進(jìn)而可以支撐更復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，以實(shí)現(xiàn)更高級級別的ADAS功能，比如：HWP、AVP等。

集中式ADAS域控制器方案從最早的四芯片方案，過渡到三芯片方案，再到當(dāng)前業(yè)界主流的兩芯片方案，如下圖所示：

5.MCU和MPU區(qū)別

MPU的全稱叫Micro Processor Unit，MCU的全稱是 Mirco Controller Unit。首先這兩個詞都有一個Micro開頭，其實(shí)這就表明了這是計算/控制單元小型化后出現(xiàn)的技術(shù)。事實(shí)上，這是由于集成電路進(jìn)步帶來的計算機(jī)系統(tǒng)集成程度提高的結(jié)果。使得原來有多片分立的元件組成的計算機(jī)系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展，多個芯片/元件的功能在向一顆芯片集中。這是一個大的技術(shù)演進(jìn)的背景。核心區(qū)別其實(shí)就是Control和Process。但在技術(shù)演進(jìn)過程中，出現(xiàn)了兩種不同的需求。這兩種需求就是“以軟制硬”和“以硬助軟”兩種模式。所謂以軟制硬，就是通過運(yùn)行一段軟件/程序來控制硬件，也就是所謂的程控。在這種使用模式中，計算機(jī)系統(tǒng)不承擔(dān)主要的工作負(fù)載，而主要是起輔助/協(xié)調(diào)/控制作用。

因此這種情況下集成的化的計算機(jī)系統(tǒng)就不太需要強(qiáng)大的計算/處理能力。所以對應(yīng)的形態(tài)應(yīng)該是運(yùn)行頻率低、運(yùn)算能力一般，但是需要集成化程度高（使用方便）、價格低廉（輔助系統(tǒng)不應(yīng)增加太多成本）等因素。由于主要完成“控制”相關(guān)的任務(wù)，所以被稱為Controller。也就是根據(jù)外界的信號（刺激），產(chǎn)生一些響應(yīng)，做一點(diǎn)簡單的人機(jī)界面。對于這種需求，通過不需要芯片主頻太高。早期8051系列主頻不過10幾MHz，還是12個周期執(zhí)行一條指令。經(jīng)過多年的“魔改”也最終達(dá)到了100MHz。其次就是處理能力不用太強(qiáng)，8位的MCU長期是微控制器的主流。后來16位的MCU逐步開始占領(lǐng)市場。而隨著ARM的32位MCU的出現(xiàn)，采用ARM的M系列的MCU也開始逐步擴(kuò)大市場。以ST、NXP公司的產(chǎn)品為主要代表。但是這些ARM系列MCU的主頻一般也是在幾十MHz到100多MHz的量級。其次由于執(zhí)行的“控制相關(guān)”任務(wù)，通常不需要支持復(fù)雜的圖形界面和處理能力。在MCU上完成的任務(wù)大多數(shù)是一些簡單的刺激-響應(yīng)式的任務(wù)，而且任務(wù)類型單一，任務(wù)執(zhí)行過程簡單。在這種情況下一般不需要MCU去執(zhí)行功能復(fù)雜、運(yùn)算量大的程序，而通常不需要運(yùn)行大型操作系統(tǒng)來支持復(fù)雜的多任務(wù)管理。這就造成了MCU一般對于存儲器的容量要求比較低。

而Processor，顧名思義是處理器。處理器就是能夠執(zhí)行“處理”功能的器件。其實(shí)具備Processor這個單詞的器件不少。比如CPU就被稱為“中央處理器”，那既然有“中央”就應(yīng)該有“外圍”。GPU在經(jīng)典的桌面計算機(jī)中就是一個典型的“外圍”處理器，主要負(fù)責(zé)圖形圖像處理，由于圖形圖像顯示。當(dāng)然，今天由于AI的崛起，GPU變身成為了人工智能的訓(xùn)練神器。帶“P”的還有DSP，數(shù)字信號處理器，一種專門為了數(shù)字信號處理而生的“領(lǐng)域?qū)Ｓ锰幚砥鳌?。所以這些帶P的處理器，都是要具備“處理”能力的。“處理”什么？自然是處理數(shù)據(jù)/信息了。也就是說處理器本身都需要較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理/計算能力。以GPU為例，正是由于它強(qiáng)大的并行浮點(diǎn)運(yùn)算能力才能支持高速的圖像處理，使音視頻播放、多媒體技術(shù)成為可能。同樣由于這樣的處理能力使之在AI時代來臨之時發(fā)揮巨大作用。以上對于處理器說了這么多，核心意思就是一個。處理器一定要處理/運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的任務(wù)。而微處理器，其實(shí)就是微型化/集成化了的處理器。準(zhǔn)確的說是微型化/集成化的中央處理器（CPU）。這就是把傳統(tǒng)的CPU之外集成了原屬于“芯片組”的各類接口和部分“外設(shè)”而形成的。MPU從一開始就定位了具有相當(dāng)?shù)奶幚砗瓦\(yùn)算能力，一幫需要運(yùn)行較大型的操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)處理。因此這就決定了MPU應(yīng)該具備比較高的主頻，和較為強(qiáng)大的運(yùn)算能力。MPU很早就演進(jìn)到了32位處理器，現(xiàn)在更是開始大力普及64位?，F(xiàn)在MPU領(lǐng)導(dǎo)具有絕對影響力的Arm公司一開始就定位要做32位。同時MPU也一直追求實(shí)現(xiàn)較高的主頻。早期經(jīng)典的Arm9系列MPU頻率就在200MHz-400MHz?，F(xiàn)在手機(jī)上使用的高端MPU更是到達(dá)了3GHz，和主流的桌面處理器是一個級別了。和通用的桌面處理器一樣，MPU現(xiàn)在也普遍“多核化”。

為了支撐MPU強(qiáng)大的算力，使得“物盡其用”。必然要求在MPU上運(yùn)行比較復(fù)雜的、運(yùn)算量大的程序和任務(wù)，通常需要有大容量的存儲器來配合支撐。而大容量的存儲器難以被集成到以邏輯功能為主的MPU內(nèi)部，因此MPU現(xiàn)在要運(yùn)行起來通常需要“外掛”大容量的存儲器。主要是大容量的DDR存儲器和FLASH。在手機(jī)領(lǐng)域前者被稱為“運(yùn)存”而后者被稱為“內(nèi)存”。為了支撐運(yùn)行復(fù)雜操作系統(tǒng)和大型程序，往往還需要MPU中集成高性能的存儲控制器、存儲管理單元（MMU)）等一整套復(fù)雜的存儲機(jī)制和硬件。

所以從形態(tài)上看，MPU由于需要運(yùn)行對處理能力要求復(fù)雜大程序，一般都需要外掛存儲器才能運(yùn)行起來。而MCU往往只是執(zhí)行刺激-響應(yīng)式的過程控制和輔助，功能比較單一，僅僅需要使用片上集成的小存儲器即可。這是區(qū)別MPU和MCU的重要表象，但不是核心原因?？偨Y(jié)一下，MPU和MCU的區(qū)別本質(zhì)上是因?yàn)閼?yīng)用定位不同，為了滿足不同的應(yīng)用場景而按不同方式優(yōu)化出來的兩類器件。MPU注重通過較為強(qiáng)大的運(yùn)算/處理能力，執(zhí)行復(fù)雜多樣的大型程序，通常需要外掛大容量的存儲器。而MCU通常運(yùn)行較為單一的任務(wù)，執(zhí)行對于硬件設(shè)備的管理/控制功能。通常不需要很強(qiáng)的運(yùn)算/處理能力，因此也不需要有大容量的存儲器來支撐運(yùn)行大程序。通常以單片集成的方式在單個芯片內(nèi)部集成小容量的存儲器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“單片化”。但需要指出的是，隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)。以上的產(chǎn)品形態(tài)也會發(fā)生一系列的變化和衍生?，F(xiàn)在NXP已經(jīng)開始推出主頻在1GHz，帶強(qiáng)大運(yùn)算能力的MCU。而隨著3D封裝、Chiplet技術(shù)的進(jìn)步，把大容量存儲器以先進(jìn)封裝的方式實(shí)現(xiàn)“單片集成”也正在實(shí)現(xiàn)。所以這種技術(shù)名詞最終還是應(yīng)該從他們出現(xiàn)的原因去理解，而不應(yīng)該簡單的從一些形態(tài)、架構(gòu)去解釋。更不應(yīng)該機(jī)械的搞一些沒有什么意義的“定義”，還讓學(xué)生在考試的時候去回答。

5.1MCU和MPU的區(qū)別MCU在一塊芯片中集成了整個計算機(jī)系統(tǒng)，可以直接加簡單的外圍器件(電阻，電容)就可以運(yùn)行代碼了。它本質(zhì)上仍是一個完整的單片機(jī)，有處理器，有各種接口，所有的開發(fā)都是基于已經(jīng)存在的系統(tǒng)架構(gòu)，應(yīng)用者要做的就是開發(fā)軟件程序和加外部設(shè)備。MPU如ARM的Cortex-A系列，直接放代碼是運(yùn)行不了的，因?yàn)樗举|(zhì)上只是增強(qiáng)版的CPU，必須添加相應(yīng)的RAM和ROM。5.2CPU與SoC的區(qū)別SoC可以認(rèn)為是將MCU集成化與MPU強(qiáng)處理力各優(yōu)點(diǎn)二合一，其中MCU是CPU集成了各類外設(shè)，MPU是增強(qiáng)版的CPU。目前芯片的發(fā)展方向是從CPU到SoC，現(xiàn)在已經(jīng)沒有純粹的CPU了，都是SoC。

上圖基于J5的自動駕駛域控制器可見，包含一個MCU 和J5+X9倆SoC，而J5包含了八核Arm Cortex-A55MPU。