ARM嵌入式汽车数字化虚拟仪表设计方案

本文主要介绍了富士通的系统LSI芯片MB86R01的工作机制,以及集成在单芯片上的ARM926EJ-S核心,图像显示控制器(GDC),车载通信功能,各种媒体接口的功能特点。该芯片可处理来自汽车导航器件或数字仪表板的数据和车载网络的信息,以提高驾驶环境的舒适性,同时实现高质量的图像和视频显示。

随着汽车、通信、信息电器、医疗、军事等行业的巨大的智能化需要,嵌入式软件及系统发展迅速。微处理器从8位到16位、32位甚至64位,从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的,从单一内核到除了内核外还提供其它功能模块。而且随着硬件技术的不断革新,硬件平台的处理能力不断增强,成本不断下降,嵌入式软件已成为产品的数字化改造、智能化增值的关键性、带动性技术。因此,开发一个集成化嵌入式控制、高速数据采集和网络通信于一体,并提供友好的人机操作界面的硬件平台和多种总线接口,对于提高嵌入式系统可靠性、组网灵活性意义重大。

据此,本文介绍的MB86R01芯片,将ARM926EJ-S核、2D/3D显示、车载通信功能、各种应用接口集成到一个单芯片上,集成度高,智能化强。而且支持程序保护功能,能够防止非法读取和篡改。

1 MB86R01的工作机制

MB86R01芯片是富士通推出的基于ARM926EJ-S内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,主要面向汽车导航仪和仪表盘。ARM926EJ-S处理器具有完整的存储器管理、高性能、低晶粒尺寸以及低功耗等重要的多任务处理器应用;支持32位的ARM和16位的Thumb指令集;支持ARM调试体系并包括支持硬件和软件调试的逻辑;拥有一条带高速缓存(cached)的哈佛总线体系并提供一个完整的高性能处理器子系统,包括:

(1)一个ARM926EJ-S定点数(integer)内核;

(2)一个存储器管理单元(MMU);

(3)单独的指令和数据AMBA AHB总线接口;

(4)单独的指令和数据TCM接口。

MB86R01内部结构比较复杂,主要有ARM9核心、绘图显示控制器、USB多媒体系统接口、CAN控制器,以及硬盘接口IDE66(平行-ATA/ATA PI-5)等。MB86R01内部结构如图1所示。

MB86R01提供了一套非常完整的通用系统的外围设备,并且使整个系统的消耗最小。而且它具有很多常用模块,因此不用再添加配置附加设备。片上集成的功能主要包括如下方面:

◇采用90nm工艺;

◇内部内存控制器的工作频率是320MHz;

◇显示分辨率:行业标准的显示分辨率,从320*240到1024*768;

◇具有EMT9和JTAG ICE接口;

◇内置外部DDR2(频率:166MHz/双缘:333MHz)和内存接口,可支持高速运作功能;

◇具有平行Flash/SRAM主机接口;

◇具有平行ATA接口;

◇SD卡接口;

◇CAN控制器接口;

◇MediaLB接口;

◇USB2.0多媒体系统接口;

◇I2C接口;

◇I2S接口;

◇SPI接口:

◇ADC接口;

◇PWM接口;

◇GPIO接口;

◇UART接口;

◇温度范围在-45～+85℃;

◇功率损耗:1.5W;

◇封装:份子化合物塑料球栅封装阵列484针(PBGA484);

◇具有扩展外部总线,支持软件开发和硬件调试。

1.1 图像显示控制器(GDC)

MB 86R01内部集成的图像显示控制器MB86296是32位,具有多种人机接口,组合了汽车环境要求的多种功能,其主要功能是在显示丰富的图像内容时控制LCD面板,其它功能包括视点导航、模拟测量仪表与两刷的实时显示,以及其它对主CPU工作不构成太大压力的信息显示。其内部集成的具体功能介绍如下:

(1)具有一个几何引擎,通过浮点运算可实现精确的数字化图形处理。

(2)具有RGB/YUV双重视频显示及输出,而且能进行视频捕捉,可存储DVD及其它图形存储器中的数字视频数据,视频输入的亮度、饱和度及对比度可通过编程控制。

(3)具有双重显示功能,即可在同一个屏幕上显示视频和图像,来提供高清晰度的地图或图像。

(4)支持6层重叠/α混合,且6层显示支持4个不同的彩色调色板,每个调色板提供256色。所有层均提供24或16位分辨率直接彩色或8位分辨率的间接彩色。而且显示分辨率从320*240到1024*768。

(5)具有2D/3D作图引擎,兼容2D/3D显卡(166MHz)功能,除阴影、纹理、纹理映射等正规的3D绘图以外,硬件还支持最适用于地图的”粗线“、”虚线“、”斜线“,与图形保真功能组合使用能够绘制出光滑漂亮的直线,还有能够根据进深绘制,简单地表达交叉点和立体交叉。

(6)提供200MHz至400MHz显示点时钟频率,控制器的额定值为1.8V、500mA和3.3V、100mA,与富士通所有的图形显示控制器IC兼容,无需外部附加逻辑电路,并可用于不同的主机CPU总线。

(7)支持纹理映射(视频材料),最大映射单元到4096*4096。

MB86296的内部结构如图2所示。

1.2 内置车载通信/媒体网络用的多种外围接口

在汽车电子方面,车载控制类系统和信息娱乐系统的合并正在加速。作为车载通信类接口,该器件内置了CAN、MediaLB,作为多媒体类接口内置了USB,作为硬盘接口内置了IDE66(平行-ATA/ATAPI-5),作为音频接口内置了I2S等,拥有各种各样的外围接口。本产品只用单芯片就能满足从车载通信控制到多媒体处理的所有需求。

1.3 支持程序保护功能

近年来,汽车仪表盘的数字化正在加速,随之出现了将保存基本软件的Flash-ROM外置的趋势。因此需要采取防止非法读取和篡改ROM代码的对策。MB86R01满足了该需求,支持程序保护功能,可以使用自己定义的密钥加密的程序。

2 带操作系统应用

MB86R01芯片可以不带操作系统应用,但是为了实现功能复杂的资源利用,提高硬件功能利用效率,简化开发难度,并且达到实时、多线程工作,需要采用实时嵌入式操作系统,如Linux,WinCE,VxWorks,UC/OS-II,QNX,TRON等。Linux和WinCE系统适用于多媒体、汽车导航和娱乐系统;对于VxWorks,UC/OS-II,QNX,TRON系统,基于启动快,实时性强,多用于汽车数字仪表显示。UC/OS-II已植入MB86R01中,实现了汽车数字化仪表的多任务实时显示。

3 结束语

富士通推出的MB86R01基于ARM9的芯片,适用于汽车应用中的先进导航和视频显示,可做成汽车数字化虚拟仪表显示,用来代替现在汽车上普遍应用的机械式仪表,而且向ARM9中移植操作系统后,可很容易的实现仪表的多线程多任务同时显示,如在显示车速、转速、水温、油量等信息时,同时播放音频和视频,双屏幕显示等。嵌入式系统的高速发展势必将不断促进ARM技术的向前发展。基于MB86R01强大的ARM内核,体积小,性能高,功耗小等优点,一定会有广阔的发展前景。