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Speicheranforderungen von Automotive-Systemen

| Autor / Redakteur: Mahesh Balan und Kishore Kumar * / Sebastian Gerstl

Groß, zuverlässig, sicher und schnell: Automotive-Systeme stellen hohe Anforderungen an integrierte Speicherbausteine.
Groß, zuverlässig, sicher und schnell: Automotive-Systeme stellen hohe Anforderungen an integrierte Speicherbausteine. (Bild: Cypress Semiconductor)

Vernetzung, Komfort, Sicherheit: In modernen Fahrzeugen steigt der Bedarf an hochwertigen Speichern rasant. Doch welcher Typ ist für welchen Einsatzzweck am besten geeignet?

Die Konstruktion von Automobilen wird immer komplexer, da sie immer mehr Funktionen erhalten, etwa Fahrerassistenzsysteme (ADAS), grafische Armatureneinheiten (GIC), Klimatisierungs- und Infotainment-Systeme. Jedes dieser Untersysteme benötigt nicht-flüchtigen Speicher, um beispielsweise während eines Resets oder beim Umschalten der Spannungsversorgung Informationen zu sichern und somit einen zuverlässigen und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Im nicht-flüchtigen Speicher liegt zum Beispiel ausführbarer Code oder andere wichtige Daten wie Konstanten, Kalibrierungsdaten sowie sicherheitsrelevante Informationen, die zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden sollen.

Es gibt verschiedene Typen von nicht-flüchtigem Speicher, etwa NOR Flash, NAND Flash, EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory), FRAM (Ferroelectric Random-Access Memory), MRAM (Magnetic RAM) und NVSRAM (Non-Volatile Synchronous RAM). Jeder Speichertyp hat Vor- und Nachteile bei Leistungskriterien wie Speicherdichte, Schreib-/Lesebandbreite, Schnittstellenfrequenz, Wiederbeschreibbarkeit, Datenerhalt, Stromverbrauch in den verschiedenen Betriebsarten (Aktiv, Standby/Sleep, Hibernate), Wartezeit, Empfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Störungen usw. Um die realen Anforderungen an nicht-flüchtigen Speicher in diesen neuen Automotiv-Systemen zu verstehen, müssen die Ingenieure echte Anwendungsfälle betrachten:

  • Kaum ein Fahrer wird bereit sein, vor dem Losfahren minutenlang zu warten, weil nach dem Einsteigen erst einmal die Armatureneinheit booten muss, um die Grafik für Tachometer, Tankanzeige usw. anzuzeigen.
  • Ein Fahrer hat die Positionen von Sitz und Lenkrad, die Temperatur und im Radio seinen Lieblingssender eingestellt. Das Fahrzeug muss diese Konfiguration sichern, bevor die Spannungsversorgung der Untersysteme abgeschaltet wird. Ein Verlust der Einstellungen würde der Fahrer als unkomfortabel und störend empfinden.
  • Ein Fahrzeug wird in einen Unfall verwickelt, obwohl es mit Fahrerassistenzsystemen ausgestattet ist. Der Fahrer beziehungsweise das Automobil sollte in der Lage sein, wichtige Daten für die Unfallermittlung bereitzustellen, z.B. den Status verschiedener Sensoren in den Sekunden vor dem Unfall.

Bei Fahrerassistenzsystemen ist es äußerst wichtig, die Daten bestimmter Sensoren in Echtzeit zu erfassen und permanent in einem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen. In ähnlicher Weise müssen die Einstellungen des Infotainment-Systems augenblicklich gespeichert werden können, damit sie bei einem Spannungsausfall nicht verloren gehen. Sowohl GIS als auch Infotainment-Systeme arbeiten mit hochwertiger Grafik und benötigen daher große Mengen an Overlay-Daten, die Teil der Boot-Sequenz sind und in einem externen nicht-flüchtigen Speicher abgelegt sind und von dort gelesen werden.

Neben den Anforderungen auf der Anwendungsebene muss nicht-flüchtiger Speicher außerdem über eine ausreichende Wiederbeschreibbarkeit verfügen, um die Daten über einen Zeitraum von mindestens 20 Jahren protokollieren zu können. Darüber hinaus sollten Untersysteme mit Speicherkomponenten ausgestattet sein, die nach AEC-Q100 zertifiziert sind. Nur dann können sie die im Automobilsektor erforderlichen Zertifizierungen und Qualifizierungen erhalten. Die Funktionssicherheit (ISO 26262) ist in sicherheitskritischen Anwendungen ein weiterer wichtiger Aspekt.

Anforderungen an den Speicher von Fahrerassistenzsystemen

Fahrerassistenzsysteme sollen unter anderem helfen, Unfälle zu vermeiden. Die integrierten Sicherheitsfunktionen machen Fahrer zum Beispiel auf einen zu geringen Abstand aufmerksam. Die implementierten Funktionen können in brenzligen Situationen auch (zeitweise) die Kontrolle über das Auto übernehmen und beispielsweise eine Vollbremsung einleiten. Doch auch beim normalen Fahren unterstützen sie. Adaptive Funktionen können etwa automatisch das Fahrlicht einschalten, die Fahrgeschwindigkeit regeln, das Bremsen automatisieren, Warnungen aus GPS und Verkehrsfunk weitergeben, sich mit Smartphones verbinden, den Fahrer auf andere Fahrzeuge oder Gefahren hinweisen, das Fahrzeug in der Fahrspur halten oder auch den „toten Winkel“ überwachen. All diese Funktionen nutzen nichtflüchtigen Speicher.

Bild 1: Blockschaltbild eines Fahrerassistenzsystems
Bild 1: Blockschaltbild eines Fahrerassistenzsystems (Bild: Cypress Semiconductor)

Bild 1 zeigt ein Fahrerassistenzsystem, in dem FRAM und NOR Flash eingesetzt werden. Externes NOR Flash wird gewöhnlich zum Speichern des Boot-Codes verwendet. Verschiedene Sensoren im Fahrerassistenzsystem senden in regelmäßigen Abständen Daten über den CAN-Bus (Controller Area Network) an den Mikrocontroller (Micro Controller Unit, MCU). Mithilfe adaptiver Algorithmen ermittelt die MCU, ob die Gefahr eines Zusammenstoßes besteht oder dieser sich bereits ereignet hat.

Die Runtime-Variablen der Verarbeitungsalgorithmen und der aktuelle Zustand der Sensoren werden im RAM der MCU gespeichert. Wenn der Algorithmus einen Unfall erkennt, muss das Steuermodul die Airbags sofort mit Energie aus dem Backupsystem auslösen. Dies gewährleistet das Auslösen auch beim Ausfall der normalen Spannungsversorgung. Auch der Status der Sensoren während des Unfalls sollte augenblicklich in einen nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden. Diese Informationen können äußerst wertvoll sein, um später die Unfallursache zu ermitteln. Automobilhersteller können mithilfe dieser Daten ihre Sicherheitssysteme verbessern.

Wichtige Daten bei einem Unfall aufzeichnen

Ereignisdatenrekorder (EDR) sind Systeme, die Daten wichtiger Untersysteme unmittelbar vor dem und beim Eintreten eines kritischen Ereignisses erfassen. EDR können Teil derselben ADAS-MCU sein – oder einer anderen MCU, die die Sensordaten empfängt und mit der MCU des ADAS kommuniziert. Chips mit mehreren Rechenkernen wie die Traveo-MCU von Cypress können der EDR-Funktion dediziert einen Kern zuweisen. Zu den vom EDR erfassten Daten gehört die Schwere des Zusammenstoßes. Dazu messen Drucksensoren an der Fahrzeugfront die Wucht des Aufpralls mit Drucksensoren.

Auch die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Motordrehzahl, Lenkbewegungen, Position des Gaspedals, Status der Bremsen, Status der Sicherheitsgurte, Reifendruck, Warnsignale und schließlich die Auslösung der Airbags zählen dazu. Diese Daten sollten vor und während des Unfalls einige Sekunden lang aufgezeichnet werden. Die MCU darf nicht erst beim Eintreten eines Ereignisses mit dem Sichern der Statuswerte beginnen. Vielmehr muss sie diese Daten kontinuierlich aufzeichnen. Dafür benötigen EDR nicht-flüchtigen Speicher, der fast unbeschränkt wiederbeschreibbar ist.

Hier bietet sich FRAM an. Es speichert Daten praktisch latenzfrei in rund 10 µs. Zum Vergleich: EEPROM benötigen gewöhnlich mehrere 10 ms zum Schreiben und sind daher für sicherheitskritische Anwendungen ungeeignet. Die Kombination aus unmittelbarem Schreiben und hohen Taktgeschwindigkeiten machen FRAM zu einer guten Wahl für Anwendungen, bei denen eine große Datenmenge schnell gespeichert werden muss. Beim Einsatz von SPI können die Entwickler frei bestimmen, wie viele Byte in das FRAM geschrieben werden sollen. Wenn ein oder zwei Byte an einer beliebigen Speicherstelle in ein FRAM abgelegt werden, beträgt die Schreibzykluszeit etwa 1 µs.

Im Unterschied zu EEPROM oder Flash arbeitet FRAM ohne Seitenpuffer. FRAM schreibt jedes Datenbyte sofort nach dem Empfang des achten Bits. Für die Ingenieure heißt das, dass sie sich um die Größe von Seitenpuffern und deren Änderung beim Übergang zur nächsten Speicherdichte keine Gedanken machen müssen. FRAM lässt sich rund 1014 mal wiederbeschreiben und liegt damit um mehrere Größenordnungen über EEPROM mit 106 oder FLASH mit 105 Schreibvorgängen. Damit eignet sich FRAM für eine vorausschauende Datenprotokollierung, bei der ständig Daten geschrieben werden. Zudem benötigt FRAM bei den Schreib- und Lesevorgängen sehr wenig Leistung (etwa 300 µA bei 1 MHz) und eignet sich daher für Fahrerassistenzsysteme, bei denen Daten während eines Versorgungsspannungsausfalls durch einen Unfall auch mit Spannungsversorgungen geringer Kapazität oder aus Kondensatoren gespeichert werden müssen. Auch die Standby-Ströme von FRAM (typisch 100 µA) sind im Vergleich zu anderem nicht-flüchtigen Speicher wesentlich geringer.

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Speicherbedarf von Armatureneinheiten

Die Armatureneinheit zeigt wichtige Informationen wie Geschwindigkeit, Drehzahl, Kraftstoffvorrat und Motortemperatur in digitaler Form oder grafisch bzw. analog per Zeigerinstrumente mit Hilfe von Schrittmotoren an. Außerdem enthält sie Warnsymbole, z.B. für den Batteriezustand, Temperaturen, zu niedrigen Öldruck, Bremsausfall, und Sicherheitssymbole, z.B. Warnungen bei nicht angelegtem Sicherheitsgurt, zu niedrigem Reifendruck, nicht verschlossenen Türen, und Anzeigen für eingeschaltetes Fahrlicht, als Hinweis zum Hochschalten, bei angezogener Handbremse sowie unkritische Informationen wie die Innen- und Außentemperaturen, Gesamt- und Tageskilometerzähler usw.

Neuste Armatureneinheiten haben außerdem ein Head-up-Display (HUD). Es verringert die Gefahr, die Fahrbahn aus den Augen zu verlieren, und gibt dem Fahrer zusätzliche Zeit, Gefahren zu erkennen und darauf zu reagieren. Diese Anzeige kann sich auf die wichtigsten Informationen, z.B. Geschwindigkeit und Navigation, sowie die Warnsymbole mit höchster Priorität beschränken.

Bild 2: Blockschaltbild einer Armatureneinheit
Bild 2: Blockschaltbild einer Armatureneinheit (Bild: Cypress Semiconductor)

Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Armatureneinheit mit HyperRAM und HyperFlash an HyperBus-Schnittstellen und NOR Flash an der DDR-HSSPI-Schnittstelle. Die MCU der Einheit ist mit anderen Untersystemen über verschiedene Kommunikationsprotokolle, wie CAN-FD, CXPI (Clock eXtension Peripheral Interface), Ethernet AVB und MediaLB (Media Local Bus)/MOST (Media Oriented Systems Transport) verbunden, um die Informationen zur Anzeige zu empfangen.

Nach dem Einschalten der Spannungsversorgung überprüft die Sicherheits-Engine der Armatureneinheit die Authentizität der Firmware. Im Anschluss beginnt die Ausführung der MCU-Software im XiP-Modus (eXecuting in Place) aus dem externen HyperFlash über die HyperBus-Schnittstelle oder aus dem NOR Flash über die DDR-HSSPI-Schnittstelle (Double Data Rate – High Speed Serial Peripheral Interface). Mit der XiP-Funktionalität kann die MCU Code aus externem Speicher direkt ausführen, ohne ihn zuerst vom externen Flash in das interne RAM kopieren zu müssen. Das erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit.

Speicher mit NOR Flash/HyperFlash kann mit einer Ausgangsadresse für den Programmcode programmiert werden und startet nach dem Einschalten nach einer vorgegebenen Verzögerung in Taktzyklen im Lese-Modus. Sobald also die MCU mit Spannung versorgt wird, kann sie sofort auf den auszuführenden Code zugreifen, statt erst noch einige Taktzyklen lang eine Adresse und den Lesebefehl übergeben zu müssen. Statische Elemente können aus einem externem HyperFlash übernommen und als Grundebene im LCD der Armatureneinheit angezeigt werden. Automotive MCU wie Traveo von Cypress unterstützen zusätzliche Möglichkeiten, um diese statischen HMI-Elemente beim Auslesen zu dekomprimieren, ohne zuerst noch über das RAM gehen zu müssen. Dynamische Inhalte mit schnelleren Aktualisierungsraten, z.B. Zeiger, können aus dem externen HyperRAM abgerufen werden.

Anforderungen von Klima- und Infotainment-Systemen

Bild 3: Blockschaltbild eines Klima- und Infotainment-Systems
Bild 3: Blockschaltbild eines Klima- und Infotainment-Systems (Bild: Cypress Smiconductor)

Das HVAC-System (Heizung, Lüftung, Klima) sorgt für angenehme Temperaturen und Belüftung im Fahrgastraum. Apps auf dem Infotainment-System dienen als Benutzerschnittstellen zum Einstellen des HVAC-Systems, zur Musikwiedergabe, zur Eingabe von Fahrtzielen bei einem Navigationsprogramm, zur Einstellung von Sitz- und Lenkradpositionen oder auch zur Anpassung der Beleuchtungsstimmung im Fahrgastraum. Einige der neusten Kfz-Modelle enthalten einen Fingerabdruckleser zum Authentifizieren und Identifizieren des Fahrers. So können die Einstellungen des Klima- und Infotainment-Systems schnell an die Vorlieben des jeweiligen Fahrers angepasst werden. Bild 3 zeigt ein Klima- und Infotainment-System mit allen Speicherelementen, die mit der Haupt-MCU verbunden sind. Im Vergleich zur Armatureneinheit gibt es drei weitere Untersysteme:

  • Touchscreen-Controller zum Erkennen von Fingerberührungen,
  • Heizung/Klimaanlage zum Steuern der Temperatur im Fahrgastraum,
  • Controller für die verschiedenen Konnektivitätsoptionen im Fahrzeug (Bluetooth, GPS, WiFi, GSM, UKW-Tuner usw.).

Zum Speichern hochwertiger Grafiken kommt oft HyperFlash und HyperRAM zum Einsatz. Der Boot-Code liegt im NOR Flash und Einstellungen im FRAM. Dadurch lassen sich die Einstellungen auch dann zuverlässig abrufen, wenn das Bordnetz aus- und sofort wieder eingeschaltet wird.

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Eigenschaften verschiedener Speicherschnittstellen

Bild 4: NOR-Flash-Speicher-Schnittstelle über Quad SPI.
Bild 4: NOR-Flash-Speicher-Schnittstelle über Quad SPI. (Bild: Cypress Smiconductor)

Jede MCU mit SPI-Schnittstelle kann auf NOR Flash zugreifen. NOR Flash wie Cypress S25FL256L haben eine SPI mit Multi-I/O-Optionen und unterstützen sowohl DDR (Double Data Rate) als auch QPI (Quad Peripheral Interface). Mehrere Flash-Bausteine lassen sich mit demselben Bus verbinden und mithilfe eines Chip-Select-(CS-)Signals einzeln adressieren (Bild 4).

Bild 5: FRAM Speicherschnittstelle über SPI
Bild 5: FRAM Speicherschnittstelle über SPI (Bild: Cypress Semiconductor)

Die MCU kann hardwarenahe Low-Level Driver (LLD) zum Lesen, Programmieren und Löschen von Daten verwenden. Die Architektur ist für schnelle Zugriffszeiten und hohe Programmgeschwindigkeiten optimiert. Bild 5 veranschaulicht den Zugriff auf FRAM über eine einfache SPI-Schnittstelle. Serielles FRAM kann aktuell mit bis zu 40 MHz getaktet werden.

Bild 6: HyperBus-Schnittstelle zu Speicher oder Peripheriegeräten.
Bild 6: HyperBus-Schnittstelle zu Speicher oder Peripheriegeräten. (Bild: Cypress Semiconductor)

Da der serielle Datendurchsatz mit dem seriellen Takt korreliert, eignet sich SPI gut für MCU-basierte Systeme, die hohe Datenraten erfordern. Mikrocontroller ohne eigene SPI-Schnittstelle können über GPIO per Bit-Banging darauf zugreifen. Bei HyperFlash und HyperRAM ist der Zugriff über eine HyperBus-Schnittstelle mit 12 Signalen möglich. HyperBus erlaubt beim Lesen einen gegenüber Quad-SPI ca. 4-mal höheren Durchsatz (333 MBit/s im Vergleich zu 66,5 MBit/s) mit einem Drittel der Leitungen, die bei parallelem NOR Flash benötigt werden. Diese Schnittstelle arbeitet mit differentiellen Tasksignalen (CK, CK#), Read/Write Data Strobe (RWDS), Chip Select und einem 8-Bit-Datenbus.

Moderne Automobile haben einen enormen Speicherbedarf

Moderne Automobile haben einen enormen Speicherbedarf

12.10.17 - Immer mehr elektronische Systeme in modernen Fahrzeugen benötigen auch leistungsfähige und für den Einsatz im Auto geeignete Speicher. Hier erfahren Sie, was Automotive Storage antreibt. lesen

* Mahesh Balan ist Application Engineer bei Cypress in San Jose, USA

* Kishore Kumar ist Sr. Staff Applications Engineer bei Cypress Semiconductor in San Jose, USA

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