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汽车总控系统中的单片机有什么作用？

近二十年来，汽车中的半导体电子元器件成分及复杂程度一直呈增长的趋势。据统计，目前汽车中90%的新发明都与电子器件的运用直接相关。某些欧洲高档车型（如BMW7系列）中的电子控制单元（ECU）已多达80个以上。这些ECU依靠网络相互通讯联系，形成一个庞大复杂的系统。它们的工作情况，直接影响到汽车的性能。众所周知，每个ECU中一般至少有一个“大脑”——单片机。这些单片机的性能、功能和可靠性，对ECU能否正常工作是至关重要的。

汽车动力总成系统是指车辆内部产生动力并传输这些动力的所有部件的总称，其主要部分包括发动机系统及动力传输系统。动力总成系统ECU的设计之难是公认的，因此，关注这个领域出现的新问题以及它们给单片机所提出的挑战并找到有关对策，就显得意义重大。

系统性能的急速增加

当前，全球汽车工业面临的重要课题是如何不断地降低汽车油耗、减少排放以及进一步提高其驾驶性能。要做到这些，就要求ECU，特别是用于发动机管理系统（EMS）中的ECU具备运算能力越来越强大的单片机，以完成软件中各种复杂的算法和控制及实现各种硬件功能。

以英飞凌（Infineon）单片机的演变为例，显示了汽车用单片机30年中运算性能的发展趋势及同一时期平均油耗和排放的变化情况。从该图中可以清楚地看到单片机的运算性能在同样成本的基础上以每年30%~60%的速度增加，而车辆的平均油耗则呈不断下降的趋势，这在目前国际油价居高不下的形势下显得更有意义；同时更严格的排放标准逐一出台。目前，欧洲各汽车厂正在为所有2009年9月后出厂的新车能满足EURO5排放标准而紧锣密鼓地做准备。

汽车动力总成系统的应用领域的ECU，根据其用途大致可分为五大类：一是辅助型系统（Auxiliary Subsystem），如变速器控制或发动机散热控制模块；二是经济型系统，如某些低档1~4缸的汽油EMS或摩托车EMS；三是基本型系统，如3~5缸的汽油EMS，混合型燃料的摩托车EMS；四是主流型系统，如4~8缸的汽油EMS和4缸柴油EMS；五是高档型系统，如6~12缸的柴油EMS及直喷型汽油EMS。

可以预见的是，在今后五年内，除了第一种类别外的所有其它系统中的单片机的运算性能及片内存储器都会大致按照“摩尔定律（Moore’s Law）”增加。虽然对输入/输出口及定时器数量的需求不会有大的变化，但来自传感器的数字输入会增加，同时，需要更快速、精确度也更高的模数转换器单元。

每个动力总成系统类别有各自的特点及市场定位，其所用的单片机的运算性能和片内存储器的大小也不同。辅助型系统将由于其安装方式的不同和更多机电一体化（Mechatronization）的情况出现而变得更多样化，但所用的单片机的运算能力将变化不大，仍在10~40MIPS（注：指单片机系统总的有效数据传输速率而非内核本身仅有的数据处理能力，下同）之间，其内部存储器的大小一般会小于0.5MB。

经济型系统主要是用于摩托车或新兴市场（如印度）的微型汽车，其单片机的运算能力及内部存储器分别增加到约80MIPS及768KB左右。

基本型系统将承受由产品商品化引起的成本压力，低成本小型汽车的普及更加印证了这一趋势。在这一类别中，单片机的计算能力和内部存储器会增加至90MIPS及718~1024KB左右。

主流型发动机系统以优化的系统成本及可升级性（Scalability）为主要特征。由于软件标准化的要求（如AUTOSAR的采用）及一些高端功能在这类车型中被更多地使用，所需要的单片机的运算性能也需大幅提高。此外，由于该类系统被用在多款车型中，其单片机内部需携带更多的存储器。这种类型系统中的单片机的运算能力和内部存储器的容量将从目前约160MIPS及1.5MB分别增加到5年后的260MIPS及2MB~4MB的大小。

在高档型发动机系统中，单片机的运算性能是至关重要的，预计会从目前的250MIPS增加到500MIPS，而同时内部存储器大小也会将从目前的2~4MB增加到4~5MB，在个别系统中甚至可达8MB。这么高的运算性能和存储容量如光靠一个单片机来完成，会面临设计高度复杂、制造成本昂贵、内部总线传输能力限制，甚至是芯片散热困难等一系列问题。因此将来在这类ECU的设计中，会采用多核心（Multiple-core）或多单片机的方式来分散计算任务和产生的热量。

系统成本降低的压力

目前世界汽车业整体产能过剩是个不争的事实，汽车零部件市场的竞争也趋白热化。在这种形势下，如何降低系统的开发和制造成本，成了每个ECU设计师所面临的另一个难题。

软件开发的成本在总开发成本上所占的比例越来越高。如图2所示，从2000年到2010年间，汽车软件市场以每年15%的速度增加。而与此同时，汽车半导体的市场增长率只有6.5%。预计到2020年，汽车总成本中的13%为其软件成本。软件在系统中的作用越来越重要，其复杂性也日益增加，但同时由于对软件的规范也越来越严格，必须用更多的精力把来自不同开发者的软件集成在一起，或将软件加以改造以适用于某个整车厂特定的应用环境及硬件平台，这些工作增加了成本。软件标准化将有助于减少这些成本。AUTOSAR就是在这一形势下形成的一个跨国组织。其会员包括了全球几乎所有的主要汽车生产商、一级及二级零部件供应商及软件工具的开发商。该组织的宗旨是通过不断的改进软件模块的重复使用性和可交换性来更有效地管理由于电气/电子系统结构高度集成化所带来的复杂性，从而有效地降低开发成本。

AUTOSAR的具体实施方法是生成符合一定标准的“基础软件（Basic Software）”平台，这种平台独立于任何特定的单片机硬件结构。英飞凌32位单片机TC1766被选为验证AUTOSAR标准的32位单片机结构。

随着AUTOSAR逐渐被汽车界所接受，单片机的制造商必须采取适当的策略来支持这一标准。除了设计新产品时加入某些硬件上满足其标准的功能，如更大Flash来放置更大的程序，更大的RAM来放置增多的变量及专门的存贮器保护单元（MPU）外，单片机制造商也需要在硬件推出的同时，向顾客提供单片机应用层（MCAL）所用到的底层驱动软件，并且与软件工具的开发商紧密合作，以提供能产生全套“基础软件”的程序包（Suite）。

除了通过标准化来降低软件成本外，有许多降低硬件成本的方法被逐渐采用。方法之一是由软件来实现原来必须靠硬件来实现的功能。例如，英飞凌的32位单片机TC1796所具有的高速模数转换单元及强大的DSP计算能力，可以用来实现发动机控制系统中的爆震检测和控制（Knock Detection and Control）。这种方案既节省了昂贵的ASCI硬件，又可将同一ECU用于多种传感器、发动机及车型中，而且避免了因硬件本身老化或由温度变化而引起的误差，同时也增强了对信号的诊断能力。这种用软件来代替硬件来实现某种功能的方法，也对单片机的运算能力提出了进一步更高的要求。

由于半导体器件集成度的不断提高，ECU的尺寸可望做到越来越小，这样就为采用全新的安装方式提供了可能性。例如将ECU直接放到发动机机舱或变速箱中；或采用所谓“机电一体化”的概念，直接将ECU安装在发动机冷却风扇系统中或涡轮增压装置上。这种方式，不但有可能节约硬件成本，还可能因此使机械和电子部分的零部件采购合二为一，从而改变汽车零部件的供货模式，为供货环节的优化提供条件。但是，在这种新的安装方式下，ECU所处环境的温度往往会更高，甚至超过一般汽车用单片机能承受的最高125℃的温度，能耐更高温的单片机因此就显得很重要。英飞凌最新推出的XC866HOT系列产品就是一个很好的例子。该8位单片机产品可以在140℃的高温环境下连续工作达500小时。

ECU内部与相互间通讯的复杂化

随着单片机运算性能的提高，传统的串行通讯接口，如通用异步串行接口（UART）或同步串行口（SSC）在执行ECU器件间的一些高速通讯时显得力不从心，一些新的通讯接口就应运而生。如英飞凌在32位单片机AUTO-NG系列中采用的“Micro-link Interface（MLI）”及“Micro-second Communication（MSC）”就是这样两个例子。MLI是为了改善单片机与其它器件进行数字通讯而设计的新一代高速串行口，其传递速度可达每秒30MB；而MSC主要是用于单片机与智能功率器件间的通讯，它的使用可以降低系统成本。

汽车各ECU之间的通讯相对于其内部的通讯可能会更复杂。目前，ECU间的通讯主要是依靠“点对点”、LIN或CAN总线来进行。相对于传统上靠专用线索来完成“点对点”的通讯方式，总线的引入大大地减少线束的使用，减轻了汽车的自重，提高了通讯速度及可靠性。LIN总线主要是用于速度较慢的局部网络；而CAN总线则大多是用于速度较快的骨干网络中。有时某些ECU需充当网关（GATEWAY）的角色而同时与几种传输速度不同的CAN总线相通讯，这时单片机内部往往需要带有多路的CAN总线控制器，例如TC1796中的多通道CAN模块就可同时支持4个CAN总线网络。

随着车内ECU的数量的增加，所涉及的通讯界面和数量也越来越多，LIN和CAN总线有时就无法完成实时性很强的通讯任务，在这种情况下，采用新的通讯协议就成了必然。Flexray是目前汽车工业界公认的下一代高速通讯协议标准。与CAN总线相比，Flexray不仅带宽更高，而且可靠性和实时性更好。对动力总成系统中某些对实时性要求极高的应用来讲，Flexray无疑是一个更好的通讯方式。为了配合这一发展趋势。世界主要汽车单片机的生产厂商都在新一代32位产品中集成了Flexray控制器。

结语

汽车的动力总成系统在整个车辆中的重要性是不言而喻的，而其中的ECU的设计是公认的难题。国际上这个领域的动向，以及这些动向给所用单片机带来的影响是许多业者所关注的。

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电子器件的“中控室”：单片机MCU详解

上一篇（只有想不到，没有嵌不到，嵌入式系统科普）文章介绍了嵌入式系统的组成部分。其中提到了单片机MCU，其实它也是一个小系统，它是控制电子产品的大脑。现如今，我们生活中的许多电器都含有单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及开关、LED等。那么，什么是单片机？它在这些电器中究竟做了些什么呢？以及是如何构成的？

它是如何诞生的

单片机诞生于1971年，经历SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机由以前的1位、4位、8位、16位。早期的单片机都是4位或8位。其中最成功的是英特尔的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。如今已发展到32位甚至64位。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高，相继诞生了一批经过市场考验获得良好口碑的单片机制造厂商。

“神通广大”，到哪儿都有它

实际工作中并不是任何场合都要求计算机有很高的性能。应用的关键看是否够用，是否有很好的性价比。单片机是电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

为什么很多电器设备都要使用单片机呢？我们用一个点亮LED电路为例来说明。

（右）无单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简单电路。很显然，使用单片机的电路要复杂得多，而且设计电路还要花费精力与财力。这样看来使用单片机并没有什么优点，其实不然。

如果我们让这个电路做一些比较复杂的操作，会怎么样呢。例如：如果希望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，那么，对于安装有单片机的电路来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。另一方面，对于没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路，才能实现这个功能。也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加容易实现。

单片机通常用于工业生产的控制、生活与程序和控制有关领域。由于单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。据了解，一辆汽车上要配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。这样算下来，单片机的数量已经远超过地球人口的数量了。

那么“无所不能”的单片机都由哪些器件构成的？

以PC为例，一台计算机主要有这几个部位组成：中央处理单元CPU（进行运算、控制）、随机存储器RAM（数据存储）、存储器ROM（程序存储）、输入/输出设备I/O（串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装在一个被称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份全部被做到一块集成电路芯片中，所以就称为单片机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如模拟量/数字量转换（A/D）和数字量/模拟量转换（D/A）等。此外，现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构。

以51单片机为例，其功能组件及作用主要有：

1、CPU主芯片（内部通过总线连接扩展的设备）

2、时钟电路（为单片机提供震荡脉冲）

3、电源电路（为单片机提供电源）

4、内部数据存储器RAM（包括通用数据寄存器和专用寄存器SFR，主要是数据存储区。）

5、程序存储器ROM（主要是存储程序，51系列有4K内部程序ROM，可以外扩64K。）

6、并行端口4*8位（P0，P1，P2，P3主要是数据交换接口。）

7、串行口（TXD，RXD用于串口通信。）

8、中断系统（外中断0，定时计数T0，外中断1，定时计数T1，串口中断。）

9、定时/计数器（16位用于外部的计数和定时功能。）

在这些组成里，内存是单片机的记忆装置，主要记忆程序和数据，但ROM与RAM有所区别：

ROM是只读内存的简称。保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。ROM主要用于保存用户程序和在程序执行中保持不变的常数。

RAM是可随机读/写内存的简称。可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消失。主要用于存储程序中的变量。在单芯片单片机中，常常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问，但是，内部结构太复杂，很难实现高密度集成，不适合用作大容量内存。除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。DRAM的结构比较容易实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速逻辑电路和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一般在单芯片单片机中很少使用，基本上都是用作外围电路。

工作原理

虽说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合。

单片机自动完成赋予它的任务过程，即一条条执行的指令过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

所以必须把要把问题编成一系列指令，这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在存储器中。存储器由许多存储单元组成，你可以想像成宾馆的房间，指令就存放在这些房间里，房间里的指令取出并执行就像入住要分配房间一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

主流单片机

现在主流单片机有：

51系列单片机——对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

PIC系列单片机——用来开发的去控制外围设备的集成电路，有计算和记忆功能，处理能力一般，存储器容量也很有限。

AVR系列单片机——AVR最大的优点就是哈佛结构速度快；片上资源丰富；驱动能力强；功耗低；可选择型号种类多；性价比高；保密性好；带PWM脉冲宽度调制、串行外设接口SPI，片内RC 振荡器，SRAM比51大。

这些是应用最多的三大系列单片机。其主要特点就是：51系列单片机是冯.诺依曼结构，后两种是哈佛结构。

典型玩家介绍

经多年发展，MCU厂商可谓是多种多样。简单介绍下这个圈里典型玩家

1. 恩智浦（收购飞思卡尔）

单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。NXP的MCU几乎都是采用cortex-m系列架构。

2. 瑞萨电子

NEC电子和瑞萨科技于2010年4月1日通过合并诞生了“瑞萨电子”，现为全球首屈一指的微控制器供应商，也是SoC系统晶片与各式类比及电源装置等先进半导体解决方案的领导品牌之一。他们推出的针对中国市场的MCU产品RL78系列分为通用产品和集成LCD驱动的产品，通用产品的升级款又围绕着传感器、小系统、马达驱动等具体应用领域做了相应拓展。

3. 微芯科技(Microchip)（收购爱特梅尔(Atmel)）

微芯科技是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，微芯单片机是市场份额增长最块的单片机。他们强调节约成本的最优化设计，使用量大、档次低、价格敏感的产品。

4.三星(Samsung)

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。

5. 意法半导体(ST)

意法半导体微控制器拥有一个强大的产品阵容，从稳健的低功耗8位单片机STM8系列，到基于各种ARM Cortex-M0和M0+、 Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7内核的32位闪存微控制器STM32家族。STM32系列32位微控制器基于Arm® Cortex®-M处理器，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。它包括一系列产品，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗/低电压操作、连接性等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。

6. 英飞凌(Infineon)

其前身是西门子集团的半导体部门。英飞凌8位单片机能实现高性能的电机驱动控制，在严酷环境下(高温、EMI、振动)具有极高的可靠性。英飞凌针对中国市场推出的XMC1000工业单片机，在电机控制领域拥有很高的性价比。

7. 德州仪器(TI)

TI是全球领先的模拟及数字半导体 IC 设计制造公司。除了提供模拟技术、数字信号处理 (DSP) 以外，TI 在单片机领域也涉入较深，推出一系列的32位单片机，其中Piccolo系列微处理器最具代表性,具体型号如C2000和F28x系列。

8. 东芝(Toshiba)

东芝单片机的特点从4位机到64位，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗低至10uA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的 CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。

9. Silicon Laboratories(芯科实验室)

Silicon Laboratories成立于1996年，位于美国德州奥斯汀市，是一家专业研发设计类比电路及混合信号IC的公司，为成长快速的通信产业设计等提供广大应用。在8051系列MCU领域居于领先军团行列。这家公司2013收购了一家叫Energy Micro的节能型MCU公司，所以产品有两个型号。

10. Maxim

Maxim的超低功耗32 位 Arm® Cortex®-M4 FPU微控制器（单片机），可以帮助您在任意地方收发其他超低功耗MCU的产品。超低功耗MCU系列产品既智能又省电。他们在去年发布了一款名为MAX78000的革命性芯片。这颗低功耗神经网络加速微控制器能将人工智能（AI）推向边缘端，更重要的是，因为其低功耗特性，那就意味着即使在将其应用在电池供电的物联网（IoT）设备里，芯片性能并未受到影响。