FlexRay通訊協定控制器之特性

FlexRay V2.1規格已經問世一段時間，能夠支援這項新標準的裝置剛開始屈指可數，不過今年2007年還剩三分之一的時間，卻有愈來愈多的半導體大廠不約而同地宣佈首台FlexRay裝置已經通過了V2.1規格的強制符合性測試（mandatory conformance test）。

半導體廠商早已在2007年2月便以首款FlexRay通訊協定控制器IC晶片產品，通過了強制符合性測試。FlexRay通訊協定控制器IC晶片產品能運用在市場上多數的汽車微控制器或微處理器架構上，以微型連結介面（Micro Link Interface；MLI）以及標準串列埠與平行埠介面為基礎，能提供汽車微控制器或微處理器架構一種具擴充性的快速介面。廠商所推出符合FlexRay通訊協定V2.1規格、能應用在FlexRay微控制器解決方案的晶片產品，採用無鉛Z符合綠色環保64插針的薄型四方扁平（TQFP-64）封裝，車載溫度範圍從-40°C至+125°C。

《圖一　半導體廠商所推出的FlexRay車用嵌入式通訊控制器晶片架構示意圖 》 資料來源：www.infineon.com

獨立式的FlexRay通訊協定控制器，是微控制器或微處理器的夥伴，可藉由標準介面連接。在實體層級上，FlexRay通訊協定控制器還需要一個額外的FlexRay收發器，才能架構出一套完整的FlexRay匯流排系統。

搭配收發器功能

獨立式的FlexRay通訊協定控制器，能讓設計者具備一個可提供給客戶系統的選項。通訊協定控制器搭配及相應的FlexRay收發器，是以印刷電路板PCP的方式提供，但裝置只在應用時才需要安裝上去。FlexRay收發器也能支援現有系統的升級路徑。一個以獨立式FlexRay通訊協定控制器為基礎的FlexRay匯流排系統，能夠更容易地整合於現有的軟硬體設計當中。

《圖二　以Bosch E-RAY模組為基礎的FlexRay通訊IC示意圖 》 資料來源：英飛凌科技（Infineon Technologies）

FlexRay通訊協定控制器內容大要

基本規格實例

以英飛凌符合FlexRay V2.1規格的FlexRay通訊協定控制器晶片為例，這是以Bosch的E-RAY IP模組為基礎，併入一個含8個獨立頻道的DMA控制器中，並具備一個彈性頻道主機介面（Channel Host Interface；CHI）的概念。這顆通訊IC能支援兩個FlexRay通訊頻道，每個頻道的最高頻寬是10Mbps。同時，這顆通訊IC能提供8.25Kbytes的可設定訊息RAM，可用來儲存128則訊息。這兩個獨立通訊頻道的冗餘、加上由時間觸發的通訊配置與高頻寬的組合通道，便定義了FlexRay通訊協定的核心，藉此專門提供給車載安全設計的應用方案所使用。

此外，這顆FlexRay通訊協定控制器晶片設計，是以130nm製程技術為基礎，保持車用電子低功率的關鍵特性，其所消耗的功率不會超過30mA～50mA。此外，這顆通訊IC是被包裹在一個微小標準薄型四方扁平封裝（Thin-Quad Flat Pack）當中，附有64個插針（TQFP-64）。

主要硬體功能設計

為了有效支援設計者工作，這顆FlexRay通訊協定控制器也配備了幾項硬體功能。首先，8個獨立的DMA頻道能提供有效率的轉換模式，將主機下載。再者，數個中斷線（interrupt line）也可讓IC中的頻道主機介面（CHI）及E-RAY通訊控制器，具備充分有效的控制功能。

彈性化介面設計

在最佳化彈性介面設計方面，英飛凌FlexRay通訊協定控制器的頻道主機介面CHI，可提供三種不同的介面，包括低插針數的串列埠周邊介面（Serial Peripheral Interface；SPI）、可設定的16位元平行埠介面、以及高速串列埠微型連結介面（Micro Link Interface；MLI）。這些介面分別提供以下功能：

MLI

SPI

平行匯流排

《圖三　高速串列埠微型連結介面MLI架構示意圖 》 - BigPic:612x259 資料來源：www.infineon.com

以MLI為例，MLI提供同步的高速串列埠連接，在區域及遠端控制器之間進行資料自動轉換及交換要求訊息。MLI也同時支援以低插針數的透明讀寫存取功能。處理器與Companion IC之間的連接，也只需要8支插針，其中傳送與接收各用4支插針即可。當然，再往上還可提供更多插針，充作額外的中斷線（interrupt line），以監控ERAY控制器及FlexRay通訊協定控制器。

上述彈性的頻道主機介面CHI概念，目前被廣泛應用在幾乎市面上所有的微控制器或微處理器架構中，例如英飛凌設計的CIC310，便應用在TriCore微控制器，或者新推出的XC2300及XC2200微控制器家族當中。

《圖四　FlexRay通訊協定IC在車載應用微控制器架構示意圖 》 資料來源：英飛凌科技（Infineon Technologies）

車用微控制器結合FlexRay功能實例

車用微控制器進階性能

目前車用微控制器產品的進階性能路徑，是以32位元的超級數值類架構（super scalar architecture）為基礎，可提供特別的RISC、CISC及DSP功能。有些廠商為證明車載微控制器產品頻率效能的優越性，會以嵌入式微處理器基準協會（EEMBC Benchmark）作為認證標準，證明可達到100 Automark的性能。

從彈性介面的角度來看，要連結車用微控制器與FlexRay通訊協定控制器，上述所提供的3項介面均可使用，其中最有效率的介面，應該就是高速串列埠微型連結介面（MLI）。

以英飛凌的TriCore為例，其內部匯流排結構可透過MLI介面，支援FlexRay通訊協定控制器的DMA功能，而在支援FlexRay通訊時，TriCore的主CPU只會產生最小的性能損失。然後TriCore內部DMA所產生的組態，能被卸載到TriCore的周邊控制處理器（Peripheral Control Processor；PCP）上，PCP也就是TriCore系統上第2顆32位元微處理器的角色。

TriCore微處理器可應用於引擎管理系統及傳動裝置。在引擎管理系統中，TriCore能支援較低的完全消耗、並改善廢氣排放。在配備一些內建功能、例如記憶體保護單元（Memory Protection Unit；MPU），TriCore也適合被用在底盤控制區域的重要安全應用上，像是高級感應器叢集及懸吊系統部分。

從FlexRay延伸車用多重應用

此外，英飛凌也推出以微控制器架構為基礎、可提供DSP層級性能、專門應用在車體上的設計方案，例如像車體中央模組（Body Central Module）、中央閘道（Central Gateway）及空調系統，這樣的設計方案也注重降低待機功率消耗以及相關延伸的通訊功能，低功率可下降至50uA。至於在重要的安全區域部分，微控制器所涵蓋的應用範圍，也包括安全氣囊及動力方向盤（Electronic Power Steering；EPS）。其它的功能像是所有記憶體上的錯誤修正碼（Error Correction Code；ECC）、記憶體保護、循環冗餘檢查（Cyclic Redundancy Check；CRC）及冗餘的類比數位轉換器，微控制器的產品支援系統也需通過IEC61508 SIL3等級的認證。

將應用在車體設計方案的微控制器，連接到FlexRay通訊協定控制器的介面選擇，可以有以下兩種方式，一種是利用標準的8位元或16位元平行埠匯流排介面，另一種則是併入通用串列介面（Universal Serial Interfaces；USIC）中。這些介面均支援快速SPI標準，且在FlexRay通訊協定控制器與微控制器之間執行的頻寬，可高達20Mbps。至於在臨界延遲時間要求的應用方面，車用微控制器設計廠商會建議採用平行埠介面的解決方案，其能支援高達10Mbps的速度，並且具有極低的延遲時間衝擊性能。

此外，車用微控制器設計廠商為了讓方便車廠開發，在規劃FlexRay通訊協定控制器解決方案時，有一整套支援的開發工具，包括評估板（evaluation board）、除錯器（debugger）、編譯器（compiler）及相關文件，同時也提供FlexRay通訊協定控制器的AUTOSAR軟體驅動程式，可讓車廠電子設計工程師迅速進入FlexRay實作階段，這樣的設計內容也已經獲得AUTOSAR Validator的專案驗證。

結論

這個趨勢是很明顯的，最初，汽車原始設備製造商就已經使用FlexRay標準於其一連串的生產過程裡。2009年，FlexRay將被大規模地推廣，也被認為是可以定義未來汽車及公共汽車驅動系統的標準。半導體廠商所推出的FlexRay通訊協定控制器產品，已是車用微控制器系統最穩定而成熟的夥伴解決方案，將可提供車廠客戶在控制安全有效且完整的替代內容。

（本文作者Kai Konrad為英飛凌Infineon汽車微控制器Microcontroller Automotive產品行銷經理；Harald Zweck為Infineon汽車微控制器應用工程師）