FlexRay通讯协定控制器之特性

FlexRay V2.1规格已经问世一段时间，能够支援这项新标准的装置刚开始屈指可数，不过今年2007年还剩三分之一的时间，却有愈来愈多的半导体大厂不约而同地宣布首台FlexRay装置已经通过了V2.1规格的强制符合性测试（mandatory conformance test）。

半导体厂商早已在2007年2月便以首款FlexRay通讯协定控制器IC晶片产品，通过了强制符合性测试。 FlexRay通讯协定控制器IC晶片产品能运用在市场上多数的汽车微控制器或微处理器架构上，以微型连结介面（Micro Link Interface；MLI）以及标准串列埠与平行埠介面为基础，能提供汽车微控制器或微处理器架构一种具扩充性的快速介面。厂商所推出符合FlexRay通讯协定V2.1规格、能应用在FlexRay微控制器解决方案的晶片产品，采用无铅Z符合绿色环保64插针的薄型四方扁平（TQFP-64）封装，车载温度范围从- 40°C至+125°C。

《图一 半导体厂商所推出的FlexRay车用嵌入式通讯控制器芯片架构示意图 》 数据源：www.infineon.com

独立式的FlexRay通讯协定控制器，是微控制器或微处理器的伙伴，可藉由标准介面连接。在实体层级上，FlexRay通讯协定控制器还需要一个额外的FlexRay收发器，才能架构出一套完整的FlexRay汇流排系统。

搭配收发器功能

独立式的FlexRay通讯协定控制器，能让设计者具备一个可提供给客户系统的选项。通讯协定控制器搭配及相应的FlexRay收发器，是以印刷电路板PCP的方式提供，但装置只在应用时才需要安装上去。 FlexRay收发器也能支援现有系统的升级路径。一个以独立式FlexRay通讯协定控制器为基础的FlexRay汇流排系统，能够更容易地整合于现有的软硬体设计当中。

《图二 以Bosch E-RAY模块为基础的FlexRay通讯IC示意图 》 数据源：英飞凌科技（Infineon Technologies）

FlexRay通讯协定控制器内容大要

基本规格实例

以英飞凌符合FlexRay V2.1规格的FlexRay通讯协定控制器晶片为例，这是以Bosch的E-RAY IP模组为基础，并入一个含8个独立频道的DMA控制器中，并具备一个弹性频道主机介面（Channel Host Interface；CHI）的概念。这颗通讯IC能支援两个FlexRay通讯频道，每个频道的最高频宽是10Mbps。同时，这颗通讯IC能提供8.25Kbytes的可设定讯息RAM，可用来储存128则讯息。这两个独立通讯频道的冗余、加上由时间触发的通讯配置与高频宽的组合通道，便定义了FlexRay通讯协定的核心，借此专门提供给车载安全设计的应用方案所使用。

此外，这颗FlexRay通讯协定控制器晶片设计，是以130nm制程技术为基础，保持车用电子低功率的关键特性，其所消耗的功率不会超过30mA～50mA。此外，这颗通讯IC是被包裹在一个微小标准薄型四方扁平封装（Thin-Quad Flat Pack）当中，附有64个插针（TQFP-64）。

主要硬体功能设计

为了有效支援设计者工作，这颗FlexRay通讯协定控制器也配备了几项硬体功能。首先，8个独立的DMA频道能提供有效率的转换模式，将主机下载。再者，数个中断线（interrupt line）也可让IC中的频道主机介面（CHI）及E-RAY通讯控制器，具备充分有效的控制功能。

弹性化介面设计

在最佳化弹性介面设计方面，英飞凌FlexRay通讯协定控制器的频道主机介面CHI，可提供三种不同的介面，包括低插针数的串列埠周边介面（Serial Peripheral Interface；SPI）、可设定的16位元平行埠介面、以及高速串列埠微型连结介面（Micro Link Interface；MLI）。这些介面分别提供以下功能：

MLI

SPI

平行汇流排

《图三 高速串行埠微型链接接口MLI架构示意图 》 - BigPic:612x259 数据源：www.infineon.com

以MLI为例，MLI提供同步的高速串列埠连接，在区域及远端控制器之间进行资料自动转换及交换要求讯息。 MLI也同时支援以低插针数的透明读写存取功能。处理器与Companion IC之间的连接，也只需要8支插针，其中传送与接收各用4支插针即可。当然，再往上还可提供更多插针，充作额外的中断线（interrupt line），以监控ERAY控制器及FlexRay通讯协定控制器。

上述弹性的频道主机介面CHI概念，目前被广泛应用在几乎市面上所有的微控制器或微处理器架构中，例如英飞凌设计的CIC310，便应用在TriCore微控制器，或者新推出的XC2300及XC2200微控制器家族当中。

《图四 FlexRay通讯协议IC在车载应用微控制器架构示意图 》 数据源：英飞凌科技（Infineon Technologies）

车用微控制器结合FlexRay功能实例

车用微控制器进阶性能

目前车用微控制器产品的进阶性能路径，是以32位元的超级数值类架构（super scalar architecture）为基础，可提供特别的RISC、CISC及DSP功能。有些厂商为证明车载微控制器产品频率效能的优越性，会以嵌入式微处理器基准协会（EEMBC Benchmark）作为认证标准，证明可达到100 Automark的性能。

从弹性介面的角度来看，要连结车用微控制器与FlexRay通讯协定控制器，上述所提供的3项介面均可使用，其中最有效率的介面，应该就是高速串列埠微型连结介面（ MLI）。

以英飞凌的TriCore为例，其内部汇流排结构可透过MLI介面，支援FlexRay通讯协定控制器的DMA功能，而在支援FlexRay通讯时，TriCore的主CPU只会产生最小的性能损失。然后TriCore内部DMA所产生的组态，能被卸载到TriCore的周边控制处理器（Peripheral Control Processor；PCP）上，PCP也就是TriCore系统上第2颗32位元微处理器的角色。

TriCore微处理器可应用于引擎管理系统及传动装置。在引擎管理系统中，TriCore能支援较低的完全消耗、并改善废气排放。在配备一些内建功能、例如记忆体保护单元（Memory Protection Unit；MPU），TriCore也适合被用在底盘控制区域的重要安全应用上，像是高级感应器丛集及悬吊系统部分。

从FlexRay延伸车用多重应用

此外，英飞凌也推出以微控制器架构为基础、可提供DSP层级性能、专门应用在车体上的设计方案，例如像车体中央模组（Body Central Module）、中央闸道（Central Gateway ）及空调系统，这样的设计方案也注重降低待机功率消耗以及相关延伸的通讯功能，低功率可下降至50uA。至于在重要的安全区域部分，微控制器所涵盖的应用范围，也包括安全气囊及动力方向盘（Electronic Power Steering；EPS）。其它的功能像是所有记忆体上的错误修正码（Error Correction Code；ECC）、记忆体保护、循环冗余检查（Cyclic Redundancy Check；CRC）及冗余的类比数位转换器，微控制器的产品支援系统也需通过IEC61508 SIL3等级的认证。

将应用在车体设计方案的微控制器，连接到FlexRay通讯协定控制器的介面选择，可以有以下两种方式，一种是利用标准的8位元或16位元平行埠汇流排介面，另一种则是并入通用串列介面（Universal Serial Interfaces；USIC）中。这些介面均支援快速SPI标准，且在FlexRay通讯协定控制器与微控制器之间执行的频宽，可高达20Mbps。至于在临界延迟时间要求的应用方面，车用微控制器设计厂商会建议采用平行埠介面的解决方案，其能支援高达10Mbps的速度，并且具有极低的延迟时间冲击性能。

此外，车用微控制器设计厂商为了让方便车厂开发，在规划FlexRay通讯协定控制器解决方案时，有一整套支援的开发工具，包括评估板（evaluation board）、除错器（debugger）、编译器（compiler）及相关文件，同时也提供FlexRay通讯协定控制器的AUTOSAR软体驱动程式，可让车厂电子设计工程师迅速进入FlexRay实作阶段，这样的设计内容也已经获得AUTOSAR Validator的专案验证。

结论

这个趋势是很明显的，最初，汽车原始设备制造商就已经使用FlexRay标准于其一连串的生产过程里。 2009年，FlexRay将被大规模地推广，也被认为是可以定义未来汽车及公共汽车驱动系统的标准。半导体厂商所推出的FlexRay通讯协定控制器产品，已是车用微控制器系统最稳定而成熟的伙伴解决方案，将可提供车厂客户在控制安全有效且完整的替代内容。

（本文作者Kai Konrad为英飞凌Infineon汽车微控制器Microcontroller Automotive产品行销经理；Harald Zweck为Infineon汽车微控制器应用工程师）