在SoC中集成FlexRay网络控制器的设计策略

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为了使先进的汽车应用如线刹和稳定性控制成为可能，业内建立了新的标准FlexRay以提高车载网络的数据率、可靠性和安全性。FlexRay联盟经过5年工作之后，终于将规范稳定下来。标准组件已经上市，第一辆装备FlexRay的汽车有望在今年末量产

        随着FlexRay开始进入实用，现在是汽车电子工程师计划在其设计中添加FlexRay的时候了。对于那些想把FlexRay集成到新型芯片的公司，现在已经可以获取可综合、经过验证的FlexRay知识产权(IP)。

        新的汽车应用如先进引擎和排放控制及线控功能需要许多电子组件，其中每一个都对更高的数据率、确定性的行为和可靠性有强烈的要求。这就极大地增加了对汽车总线的要求，而FlexRay通信协议的开发正是为了满足这些要求。

        FlexRay技术可以被分为三个主要领域：配置和管理FlexRay簇的软件、实现FlexRay协议的数字逻辑及模拟信号驱动器。在此，我们重点讨论FlexRay IP的数字硬件单元并考虑如何将其集成到系统级芯片(SoC)之中。
        如上所示，FlexRay层级的中间层是协议执行层，在此流出的帧数据被发送到物理层。在一侧，协议执行层与控制器主接口对接，其中包含所有接口数据的存储并给控制器主接口提供服务。在另一侧，协议执行层与编码/解码层对接。物理层包含总线驱动器、总线监护选件和物理互连。

概念的最佳分割

        在设计FlexRay核的过程中，设计工程师应该把重点放在与通信相关的容错设计，而不是放在诸如消息协议算法之类与应用相关的问题。该范例确保其设计适用于具有不同容错要求的各种应用。

        FlexRay核被分为负责处理所有FlexRay特有协议的协议引擎(PE)和负责处理将FlexRay功能集成到其它系统的所有任务的控制器主接口(CHI)。

        CHI主要访问FlexRay核的配置、控制和状态寄存器及消息缓冲器的配置、控制和状态寄存器。消息缓冲器具有FlexRay帧(已接收帧和待发送帧)，包括帧首、有效载荷及帧状态信息。消息缓冲器数据存储在FlexRay存储器之中，而消息缓冲控制结构在CHI中实现。

        终端用户应用需求的差异很大，因此，该内核应该具有可配置能力，以便集成商能够优化应用性能并调节芯片类似面积和功耗之类的特性。例如，在IPextreme提供给飞思卡尔FlexRay控制器核之中，内核可以被配置为实现最大256个消息缓冲器和最大输入均为256的两个接收FIFO。

        一些应用可以从用户定制和面向特定应用的CHI获益，这需要良好定义的、详细和备有证明文件的的PE接口。IP供应商提供满足许多应用需求的通用目的CHI，它包括所有详细的FlexRay功能，如独立收发缓冲器(单和双缓冲发送)的使用、状态或事件传输模式、接收FIFO功能、消息缓冲过滤和双通道模式。

        然而，特定的应用可能需要这些功能的子集。对于一些面积和功耗很重要的应用，减少CHI复杂性的好处很大。该策略仅当PE模块的接口和行为被非常好地定义和归档时才可行。

        时钟域交叉(CDC)单元实现从CHI时钟域到PE时钟域的信号交叉，反之亦然，从而容许异步和CHI时钟域。CHI频率依赖于待处理的消息缓冲器的复杂性和数量，它可以比PE时钟慢很多或快很多。如果CHI可用与PE一样的40MHz时钟驱动，那么，就可以省略CDC以减少门数。

        依赖于系统存储器的要求，如规模、反应时间和带宽，保持消息报头和有效载荷的FlexRay存储器窗口可以被存储在系统存储器(顶部)或独立的存储器之中。下图显示了FlexRay核模块图及其与主处理器通信的两种方式：
        用于把FlexRay控制器集成到系统之中的顶层接口是：

   

• 时钟和复位接口：容许时钟门控和硬件复位控制或软件复位；   
  
• 主接口：简单的读写外部接口；   
  
• 中断和选通接口：选择中断并通过软件调试实现；   
  
• FlexRay总线接口(通道A和B)：用于将FlexRay器件连接到FlexRay总线驱动器，在“FlexRay通信系统电气物理层规范”中详细说明；   
  
• 系统存储器接口：通过总线主接口(BMIF)连接到FlexRay控制器，这可以被直接连接到一个共享存储器或一个外部存储总线子系统。在两种情况下，都需要满足一定的反应时间。
  

优化和配置核

   

• 参数：硬件参数让集成商能够定制设计以省略不用的硬件。对于FlexRay器件，可能有若干随系统而定的参数，如总线和数据宽度及架构参数，包括消息缓冲器和有效载荷的最大数目。消息缓冲器(4到256个)的最大数目对CHI的面积和时钟要求有很大影响，其频率范围从20到140 MHz。设计者可以选择仅仅实现必需的消息缓冲器，以减轻针对成本、面积和功耗的设计优化工作。   
  
• 省电：当时分多址(TDMA)方案在每一个FlexRay信息包的第一部分指派专门的发送和接收时隙时，有大量的空闲时间，因此，如果相关的逻辑可被关闭，就可以省电。利用关闭发送和接收模块、存储器、通道逻辑等等的能力，可以进一步省电。时钟门控应该采用专用的时钟使能信号。
  

一致性和验证

        将FlexRay控制器集成到SoC设计中的用户希望拿到的是完全经过验证的、具有最高品质的、功能正常的硬件。测试设备(例如德国TüV Nord与Frauenhofer Gesellschaft两公司合作开发的那种测试设备)在数据链路层为FlexRay器件提供协议一致性测试，如飞思卡尔的MFR4300，以确保正确的行为和互操作性。成功的一致性确保正确的FlexRay行为。然而，集成这种经测试硬件的用户，需要验证与该硬件的连通性以确保正确的通信。

        集成测试基准提供测试，并按部就班地用实际功能硬件模型取代测试基准模型，从而使平滑集成成为可能，有助于确保“一次正确”的设计。一组自插集成测试基准包括：

   

• FlexRay簇通信   
  
• 存储仿真模型(DPRAM, SRAM, and ROM)   
  
• 简单总线驱动仿真模型   
  
• 时钟和复位控制   
  
• 主总线功能模型   
  
• 总线主接口(具有与DPRAM的接口)   
  
• 若干监测器、检查器和Sniffers(嗅探器)
  

可交付使用的包

        可交付使用的FlexRay核的(文件)包由与工艺无关的硬件描述语言文件(Verilog或VHDL)、综合约束和时序例外、自查集成测试基准、及详细的集成和编程指南构成。整个包经由与工具无关的打包环境最佳控制，以详细说明和检查硬件参数和约束设置；在任意仿真器上运行集成测试；容许生成综合脚本；并提供前端流程以剔除为特定卖主做的综合。

原形和软件开发

        有几家公司提供基于不同主处理器的一体化FlexRay控制器评估系统。现在也有能连接到任意主控制器系统的、配备简单存储器接口的单片FlexRay控制器。评估板与支持FlexRay的公司提供的开发软件绑定在一起，使系统设计工程师能够用不同卖家的节点修建FlexRay簇以增强硬件测试。

小结

        随着FlexRay开始进入实用，现在是汽车电子工程师计划在其设计中添加FlexRay的时候了。FlexRay规范稳定，标准组件已上市，采用FlexRay

        的第一辆汽车将很快上路，联盟也已开始拓展未来的FlexRay应用。把FlexRay集成到汽车控制器之中，使其具有标准连通性将是未来许多设计的要求。

        将来的FlexRay应用展现了“轻型”FlexRay开发的额外市场，去掉安全性要求高和同步的功能，能实现非常低成本的FlexRay控制器，成本上可与CAN媲美。这些单通道和简化的主受控同步器件将与现有的FlexRay方案兼容。

        Christian Lipsky是IPextreme公司的高级设计工程师，他成功地完成了几个项目，内容包括RTL设计流程、系统级验证和IP封装。在加入IPextreme之前，Lipsky先生在Synopsys开始了他的设计工程师生涯，在那里他是蓝牙基带控制器IP核到ASIC/FPGA原形开发团队的主要成员，在该职位上，他重点研究RTL设计、仿真、模块验证、系统级综合和可测性设计。Lipsky先生拥有慕尼黑理工大学电气工程和信息技术的工程学位。