Prozessoren für Automotive-Gateways und Telematik der nächsten Generation

Bild 1: Exemplarische SoC-Architektur mit einem zentralen Gateway und zwei Bereichs-Gateways. Texas Instruments

Ein Automotive-Gateway ist ein System, dessen zentrale Aufgabe die geschützte und sichere Übertragung von Daten innerhalb eines Fahrzeugs ist. In einem Fahrzeug können durchaus mehrere Gateways verbaut sein – ein zentrales Gateway und mehrere bereichsspezifische Gateways.

Das zentrale Gateway in einem Fahrzeug dient der sicheren und geschützten Übermittlung von Daten zwischen zahlreichen Bereichen wie etwa der Telematik-Steuereinheit (Telematics Control Unit, TCU), dem Antriebsstrang, den Karosseriesystemen, dem Infotainmentsystem, dem digitalen Cockpit und den Fahrassistenzsystemen. Ein bereichsspezifisches Gateway (Domain Gateway oder Domain Controller) hat eine ähnliche Funktion, transferiert aber Daten zwischen den verschiedenen elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Units, ECUs) in seinem jeweiligen Bereich.

Zentrale Gateways müssen in der Regel eine höhere Performance, mehr Schnittstellen und breitbandigere Netzwerkprotokolle bieten als Bereichs-Gateways. Bild 1 verdeutlicht die Implementierung beider Gateway-Arten in einem Fahrzeug.

Was die Telematics Control Unit leistet

Bei der TCU handelt es sich um diejenige ECU in einem Fahrzeug, die für die Anbindung an das Internet und die Cloud zuständig ist. Autos mit Internet- und Cloud-Anbindung gewinnen immer mehr an Verbreitung, und die Fahrzeughersteller statten ihre Autos mit Wi-Fi, Bluetooth und Mobilfunk aus.

Diese Art der Konnektivität ermöglicht Notruffunktionen (eCall) sowie während der Fahrt den Zugang zu Unterhaltungs- und anderen Online-Inhalten – ganz abgesehen von OTA-Updates der digitalen Inhalte des Fahrzeugs. Durch neuere Trends wie das Car-Sharing werden Funkschlüssel durch Smartphones als Medium für den Zugang zum Fahrzeug ersetzt, ergänzt durch Flottenmanagement und -verfolgung. Versicherer können die Fahrgewohnheiten aus der Ferne überwachen, und die Werkstätten können den Zustand der Fahrzeuge abfragen, um vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen wie etwa Ölwechseltermine zu planen. All dies aber geht nicht ohne eine Verbindung zum Internet und zur Cloud.

Ein weiterer kommender Trend in Richtung vollständiger Autonomie ist die Fähigkeit von Fahrzeugen zur Kommunikation beispielsweise mit anderen Fahrzeugen, der Infrastruktur (zum Beispiel Ampeln) oder sogar Menschen – bekannt unter den Kürzeln V2V (Vehicle to Vehicle), V2I (Vehicle to Infrastructure) und V2P (Vehicle to Pedestrian). DSRC (Dedicated Short Range Communication) oder c-V2X-Konnektivität erleichtern diese Kommunikation in der Regel. Kurz gesagt, verbindet Telematik das Auto mit der Außenwelt, wie in Bild 2 zu sehen.

Weiterentwickelte Gateways und TCUs erfordern Applikations-Prozessoren

Bild 2: Beispiele für Telematik-Anwendungen sind V2V, V2I oder V2P. Texas Instruments

Bei den Prozessoren in Automotive-Gateways handelte es sich in der Vergangenheit meist um 32-Bit-Mikrocontroller (MCUs) mit eingebautem Flash-Speicher und Gateway-Schnittstellen geringerer Übertragungsrate wie etwa Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) und FlexRay. Allerdings nimmt der Umfang der Fahrassistenzsystem- und Konnektivitäts-Funktionalität in den modernen Fahrzeugen zu, sodass ein immer mehr Daten sicher und geschützt und mit sehr geringer Latenz verarbeitet und zwischen den verschiedenen Bereichen kommuniziert werden müssen.

Schnittstellen wie etwa CAN-Flexible Data Rate (CAN-FD) und LIN sind jedoch nicht für den Umschlag großer Datenmengen mit geringer Latenz ausgelegt, weshalb die Automobilhersteller auf ein TCP/IP-basiertes Ethernet-Protokoll wechseln, wenn es um breitbandigere Datentransfers geht. TCP/IP ist attraktiv, weil sich dieses Kommunikations-Protokoll im Consumer-Bereich bestens etabliert hat und somit als weniger risikobehaftet eingestuft wird als ein weniger erprobtes Protokoll.

Da die MCUs selbst möglicherweise nicht in der Lage sind, mit den Verarbeitungsanforderungen künftiger Gateways Schritt zu halten, kommen leistungsfähigere Applikations-Prozessoren ins Spiel, die bestimmte MCU-Funktionen ergänzen oder ersetzen, um die Daten künftiger Gateways zu verarbeiten und zu lenken. Angesichts der Umstellung der fahrzeuginternen Netzwerke auf Ethernet-basierte Technik können Automotive-Gateways, die durch einen Applikations-Prozessor unterstützt werden, außerdem zum schnellen und effizienten Verarbeiten von Daten und ihre Übertragung zwischen den verschiedenen Bereichen beitragen.

Modem und Prozessor separieren

Konnektivität ist eine Voraussetzung für die OTA-Updates zum Aktualisieren von Unterhaltungs-Inhalten sowie für anderen Dienste, wie zum Beispiel Car-Sharing- und Mitfahr-Apps und den Fernzugriff auf Fahrzeuge. TCUs verfügen über Mobilfunk- oder Wi-Fi-Modems zum Bereitstellen dieser Konnektivität sowie über einen Applikationsprozessor zur Verarbeitung der vom Modem empfangenen Daten. Zu dieser Verarbeitung gehört das Entschlüsseln und Validieren der Daten und ihre Weiterleitung an das Gateway oder an eine andere Bereichs-ECU.

Bei den aktuellen Architekturen sind Modem und Prozessor in ein und denselben Halbleiterbaustein integriert. Da sich die Modem-Normen jedoch fortlaufend weiterentwickeln, gehen die Automobilhersteller auf eine Architektur über, bei der das Modem und Prozessor voneinander getrennt sind. Hinzu kommt, dass sowohl Automotive-Gateways als auch TCUs auf ein Ethernet-basiertes Netzwerk umgestellt werden – gestützt auf einen Applikations-Prozessor mit Unterstützung für schnelle Konnektivitäts-Peripherie wie etwa PCIe sowie mit hoher Verarbeitungsleistung zum Verarbeiten der Daten und für ihre Übertragung zwischen den verschiedenen Bereichen.

Das Separieren von Prozessor und Modem hat den Vorteil, dass sich die ECU rasch auf einen neuen Modem-Standard umstellen lässt, indem nur das Modem auswechselt wird, während der Prozessor mitsamt der auf ihm laufenden Software beibehalten wird.

Safety und Security

Safety und Security, also die Funktionssicherheit und die Absicherung nach außen, gewinnen bei Automotive-Gateways und TCUs ebenfalls an Bedeutung, wenn die Autos zusehends vernetzt und immer autonomer sind. Ein spezieller eingebetteter Security-Prozessor oder ein entsprechendes Subsystem kann helfen, den Zugang zu den Sicherheits-Schlüsseln des Fahrzeugs abzusichern, den Schutz der Kommunikationskanäle zu verbessern und zu gewährleisten, dass Software-Updates nicht für Cyber-Attacken nutzbar sind. Safety-Funktionen werden in der Regel in diskreten MCUs implementiert, um die Funktionssicherheit zu gewährleisten. Ein SoC, das Applikations-Prozessoren und eine Safety-MCU integriert, ermöglicht den Automobilherstellern jedoch eine Senkung der Materialkosten.

Entwicklungskosten mit Jacinto DRAx senken

Immer komplexere Gateway- und TCU-Systeme bringen auch hohe Entwicklungskosten für den Automobilhersteller mit sich. Im Idealfall fallen diese Kosten aber nicht für jede Kategorie und jedes Fahrzeugmodell von neuem an. Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer können ihre Entwicklungskosten senken, wenn sie Bausteine aus der Prozessorfamilie Jacinto DRAx einsetzen. Diese skalierbare und softwarekompatible Softwareplattform kann dazu beitragen, die Anforderungen von Gateway- und TCU-Systemen der nächsten Generation zu erfüllen. Prozessoren der Reihe Jacinto DRA8x helfen bei der Stärkung der Konnektivität im gesamten Fahrzeug, indem sie Unterstützung für mehrere schnelle I/O-Techniken wie etwa PCIe, USB3.x und Gigabit Ethernet sowie traditionelle Automotive-Peripherie wie CAN-FD und LIN bieten. Auch diese Prozessoren sind genau auf den Einsatz in Automotive-Gateways zugeschnitten und verfügen über chipintegrierte MCU-Subsysteme, um dazu beizutragen, die Echtzeitverarbeitungs-Anforderungen und die nötige Performance für TCUs, Applikations-Prozessoren und Automotive-Gateways bereitzustellen.

Der DRA829V ist das aktuellste Produkt der Prozessorfamilie DRA8x. Es handelt sich bei ihm um ein verbessertes System-on-Chip (SoC) mit einer Reihe integrierter Rechen- und Verarbeitungselemente, die es Automotive-Gateways einfacher machen, einen größeren Datendurchsatz in Echtzeit und effektiv zu managen und zu unterstützen. Features wie etwa ein Cluster von ARM-Cortex-A72-MPUs sowie Cluster von ARM-Cortex-R5F-Cores für die Echtzeit-Verarbeitung sowie High-Speed-Peripherie (zum Beispiel USB 3), ein integrierter PCIe-Switch und ein Gigabit-Ethernet-Switch ermöglichen den Verzicht auf externe Bauelemente für breitbandigere Datentransfers. Ein weiteres Merkmal des DRA829V ist sein integriertes MCU-Subsystem für funktionale Sicherheit, das chipinterne Unterstützung für Functional-Safety-Operationen von ASIL-B bis ASIL-D bietet. Darüber hinaus enthält der DRA829V eine Ausstattung an traditioneller Automotive-Peripherie wie etwa CAN-FD, LIN und MOST. Für sicherheitskritische Anwendungen hält der DRA829V über ein integriertes High Security Module (HSM) eine geschützte Boot- und Laufzeitumgebung bereit. Nicht zuletzt bieten die DRA829V-Prozessoren ein ganzes Spektrum an Rechenleistung und einen Peripherie-Mix, mit dem sich kostenoptimierte Bauelemente für eine Vielzahl von Automotive-Gateways realisieren lassen.

Die Prozessorfamilie Jacinto DRA8x bietet Unterstützung für mehrere High-Level- und Echtzeit-Betriebssysteme im Processor SDK, ergänzt durch vollständig kompatible und skalierbare Software Development Kits (SDKs), mit denen OEMs ihre Design-Investitionen in ihrer gesamten Produktpalette nutzen und wiederverwenden können, woraus unter dem Strich niedrigere Entwicklungskosten resultieren. Dank vereinheitlichter Software erhalten die Automobilhersteller die Gelegenheit, hohe F&E-Investitionen auf dem Softwaresektor zu skalieren und die Software in ihrer kompletten Zentral-Gateway-Plattform zu nutzen – vom Einstiegsmodell bis zu Fahrzeugen der Premiumklasse.

Gateway-Systeme der nächsten Generation

Die Architekturen von Automotive-Gateways und TCUs verändern sich rapide, um die enormen Datenmengen effizient verarbeiten und zwischen den unterschiedlichen Bereichen eines Autos übertragen zu können. Ein skalierbares SoC mit einem integrierten MCU-Subsystem, Applikations-Prozessoren und schneller I/O-Funktionalität kann dazu beitragen, die Anforderungen dieser neuen Architektur mit reduziertem System-Bauteileaufwand zu erfüllen.

Die skalierbaren, hard- und softwarekompatiblen SoCs der DRA8x-Familie helfen, den Anforderungen der neuen Gateway- und TCU-Architekturen Rechnung zu tragen, und tragen damit zur Senkung der Material- und Entwicklungskosten für Automotive-Gateways bei.

(na)