Andes D1088 在汽車ADAS之應用

高級駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)為現(xiàn)今IT產業(yè)發(fā)展的重要方向，是將來可以達到無人駕駛智能車輛的技術高級過程。ADAS的主要功能并不是控制汽車，而是為駕駛人提供車內的工作情況與車外環(huán)境變化等相關信息進行分析，預先警告可能的危險狀況，讓駕駛人提早采取應對措施，避免交通意外發(fā)生。晶心科技的產品 D1088具備數字信號處理器(digital signal processor，DSP）指令，除了一般CPU指令外還多了SIMD instructions來加速ADAS算法的計算，增加ADAS產品的性能，也因此獲得客戶的認同使用晶心科技D1088開發(fā)ADAS產品。使用D1088開發(fā)的ADAS產品包括盲點偵測(Blind-Spot Detection, BSD)，前車碰撞警示(Forward-Collision Warning, FCW)，車道偏移警示(Lane-Departure Warning, LDW)，運動目標偵測(Motion-Object Detection, MOD)，倒車碰撞警示(Rear-Collision Warning, RCW)，行人碰撞警示(Pedestrian-Collision Warning, PCW)及行車紀錄器。

車用電子須通過AEC-Q100(Automotive Electronics Council - Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Integrated Circuits)的認證，要求有別于一般消費性電子產品，本文的目的除了告訴我們的客戶(IC設計業(yè)者)D1088的優(yōu)勢，也與我們的客戶一起探討車用電子與消費性電子產品間的差異。希望在車用電子領域，晶心科技與我們的客戶攜手同行從今日開發(fā)ADAS芯片到未來的無人車自動駕駛。

1. D1088應用于ADAS的優(yōu)勢

生活環(huán)境中都是模擬信號，聲音是模擬信號，圖像是模擬新號，汽車碰撞的壓力值還是模擬信號，汽車在行進中，傳感器將量測數值傳送進ADAS控制器，經過ADC轉換后得到數字訊號﹐車內外環(huán)境中充滿了干擾與噪聲，濾波器可以濾掉噪聲與干擾，大大提升訊號正確性與可靠度，還原事物的原貌。文中以數字濾波器 FIR (Finite Impulse Response)為例，比較使用一般CPU指令與D1088提供的DSP指令在運算FIR時的差異，說明D1088的優(yōu)勢與特性。

1.1 使用Fir_q15 函數驗證

以ADAS 中車道偏移警示系統(tǒng)會用到的FIR 數字濾波器，使用Fir_q15[1] 函數C語言實作如下所示:

void nds32_fir_q15(const nds32_fir_q15_t *instance,q15_t *src, q15_t *dst, uint32_t size)

此FIR 數字濾波器函數，其中函數的輸入參數:*instance此是指向FIR 結構體的指針，數字濾波器參數特性定義在此。輸入*src 與輸出*dst是以Q15的數據格式來表征，size 是此函數一次處理的抽樣個數，本實驗的抽樣個數是1024。

在使用此函數時，設計兩種定義，一種是全部使用Andes baseline 指令，另一種使用DSP指令，D1088除了具備一般CPU功能外，增加超過130 條DSP 相關指令。在此函數中除了運用DSP 矩陣指令外也使用了DSP中的saturation 運算，當數字信號運算后產生overflow或underflow時，沒有使用saturation 運算會產生錯誤且離譜的結果，Andes saturation指令可以大大提升效能。

在Fir_q15函數在D1088上做驗證函數的抽樣個數為1024，在全部使用baseline 指令運算所得的cycle數除以取樣數目1024得到每一個DSP信號所需要的cycle數是210，如果使用DSP指令，處理每一筆DSP信號只需要的是41 cycles。從Fir_q15 函數運算結果得知DSP 指令對比 baseline指令運算性能提升5.12倍。

1.2 DSP Benchmark 數值

下圖[2]是依各類測試基準得到D1088與 Baseline CPU的benchmark 數據，總體benchmark的平均值D1088/N1068有64%的性能提升

圖1. DSP Library 性能圖

2. 車用電子產品需要通過的認證

近幾年隨著汽車市場逐步走向車聯(lián)網、電動汽車領域，需要更多駕駛信息輔助整合系統(tǒng)，也讓IC設計業(yè)者找到一個好的發(fā)展方向與新的產品市場。很明顯，車用電子要求有別于一般消費性產品，分別在產品的壽命，溫度的范圍，可靠度等級與安全性的要求等皆遠高于消費性電子產品，車用電子需要經過ISO 26262與AEC-Q100認證。晶心科技是CPU IP 的供貨商，提供CPU IP給IC設計業(yè)者。從AEC-Q100的驗證流程中，了解IC設計業(yè)在車用電子所在的角色，也可以得知CPU與IC設計業(yè)者在車用電子中的位置與關系。

2.1 車用IC規(guī)范AEC-Q100驗證流程

圖2為AEC-Q100規(guī)范中的驗證流程[3]，此圖是以Die Design→Wafer Fab.→PKG Assembly→Testing的制造流程來繪制，各模塊的關聯(lián)性須要參考圖中的箭頭符號，本文重點著重在IC設計業(yè)者(Design House)，所以僅標示AEC-Q100中Design House與 Design Verification 相關測試項目。

圖2. AEC-Q100驗證流程

2.2 IC設計業(yè)者進行AEC-Q100驗證

在AEC-Q100建議中，IC設計業(yè)者需要依據IC芯片在汽車中使用位置區(qū)分為引擎區(qū)與乘坐區(qū)兩部份，其基本工作環(huán)境要求不同，故對于測試溫度，可靠度，安全性的建議規(guī)格也不同。由于IC芯片種類繁多，因此在試驗條件上，AEC-Q100已進行分門別類，亦即依照屬性設定建議的試驗條件，當IC芯片設計測試規(guī)范訂定后依據圖2 AEC-Q100驗證流程圖，IC設計業(yè)者需完成紅框的驗證項目，當Wafer Foundry也通過需做測項后，AEC-Q100驗證項目都完成后，就可說此IC芯片完成AEC-Q100的驗證。

3. 車用電子產品需要通過的認證

 除了ADAS本身須具備的功能需通過AEC-Q100認證外，也需有額外設計才能符合在汽車的應用環(huán)境下的需求，下列幾個舉例說明在車用ADAS中增加的設計，有別于一般消費性電子產品。

3.1 CRC checksum 安全驗證

 在車用ADAS設計實例中，考慮到汽車環(huán)境中干擾嚴重且需要高可靠度。ADAS程序在刻錄進ADAS 產品的NOR-Flash時，將欲刻錄程序經由CRC32-CCIR演算后得到32bits結果一并寫在NOR-Flash上。在車上當ADAS產品開機后，NOR-Flash 上的程序搬到RAM后，在RAM的程序也一樣經過CRC32-CCIR演算后得到的結果與程序后面32bit checksum演算結果做比對，如果RAM端與NOR-Flash數值一致表示通過CRC checksum 安全驗證，如果數值不一致代表RAM上的程序在過程中被干擾須采取對應的措施。增加CRC checksum 安全驗證可以知道車用ADAS對安全與可靠度要求遠高于一般消費性電子產品。

3.2 程序啟動前先行驗證 CPU 周邊

 有別于一般消費性產品，車用電子產品在程序啟動前需驗證CPU周邊device本身之正確性，以ADAS實例來說明需要驗證cache與RAM。在ADAS程序執(zhí)行前，提供晶心科技自定義指令集CCTL (Cache Control)指令做cache的驗證。將CCTL指令以intrinsic 函數方式(如下所示)[4]提供給客戶使用: 

Unsigned int __nds32__cctlidx_read (const enum nds32_cctl_idxread subtype, unsigned int idx) 

void __nds32__cctlidx_write (const enum nds32_cctl_idxwrite subtype, unsigned int b, unsigned int idxw) 

 開發(fā)ADAS客戶使用晶心科技提供__nds32__cctlidx_write 函數寫入 再用__nds32__cctlidx_read 函數讀出來驗證整個cache device。

 RAM在使用前也需要做RAM device的驗證，進行RAM device 驗證需要驗證程序結合RAM 測試pattern。晶心科技使用程序編寫的技巧提供ADAS開發(fā)業(yè)者不需要用到RAM的驗證程序結合ADAS開發(fā)業(yè)者使用March C Algorithm做為的RAM device的驗證pattern。 

 在ADAS開機時使用March C Algorithm 來做RAM的BIST好處是快速，產品開機時所需的等待時間對于車用產品極為重要，也是車用產品優(yōu)劣的重要評判準則，March C Algorithm 除了簡單快速外，還有fault coverage 高的特性。受到廣泛的應用，將March C Algorithm 的pseudo code 詳列如下[5]: 

//for writing 0s in block 1 and writing 1s in block 2, let n and m are rows and columns
for(i=0;i<(n-1)/2;i=i+1)
 begin
  for(j=0;j<(m-1);j=j+1)
   mem[i][j]=0; //write 0 in m1
 end
for(i=(n-1)/2;i<(n-1);i=i+1)
 begin
  for(j=0;j<(m-1);j=j+1)
   mem[i][j]=1; //write 1 in m2
 end
//for reading background and for writing alternate
  for(i=0;i<(n-1)/2;i=i+1)
   begin
    for(j=0;j<(m-1);j=j+1)
     begin
      if(mem[i][j]==0)
       mem[i][j]=1;
      else return;
     end
   end
for(i=(n-1)/2;i<(n-1);i=i+1)
 begin
  for(j=0;j<(m-1);j=j+1)
   begin
    if(mem[i][j]==1)
     mem[i][j]=0;
    else return;
   end
 end

4. 結語

 D1088具DSP指令適合應用在高級駕駛輔助系統(tǒng)。晶心科技提供高性能符合車用的CPU給IC設計業(yè)者，在IC設計業(yè)者開發(fā)車用ADAS產品時，晶心科技提供適當的支持協(xié)助IC設計業(yè)者開發(fā)具競爭力且符合車規(guī)的ADAS芯片與系統(tǒng)，衷心感謝偉詮公司顧朝奇博士與陳文慶先生的協(xié)助，才能完成此技術文章。

電子產業(yè)各項領域中，不論是MCU，觸控，IoT與本文探討之車用ADAS，晶心科技都已取得不錯的成績，也期望在未來趨勢ADAS與車聯(lián)網產業(yè)中晶心科技與我們的客戶IC設計業(yè)者緊密的合作，開發(fā)出具競爭力的芯片與系統(tǒng)，達到雙贏的目的。

參考文件

[1] Andes Fir_q15 Program “nds32_fir_q15.c”

[2] Andes Company Profile July 2016 page 28 

[3] 新通訊 2016 年 4 月號 182 期《 技術前瞻 》

[4] Andes Programming Guide for ISA-V3 page 104

[5] Muddapu Parvathi , N. Vasantha, K. Satya Parasad, “Modified March C - Algorithm for Embedded Memory Testing” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol. 2, No.5, October 2012, pp. 571~576

ISSN: 2088-8708

關于晶心

為因應全球嵌入式系統(tǒng)應用的快速成長，2005年晶心科技創(chuàng)立于新竹科學園區(qū)，致力于開發(fā)以32位處理器為核心的系統(tǒng)芯片設計平臺(Processor-based SoC Platforms)。晶心科技是一家國際化結合軟硬件平臺及系統(tǒng)整合能力且專注于系統(tǒng)芯片核心開發(fā)的公司。

隨著電子產業(yè)產品日趨多功能化，更多廠商開始對處理器及設計平臺要求更佳的整合性、延展性、設計彈性，以及高效能、低成本與低功率。這樣的復雜度已經超越傳統(tǒng)供應廠商所能提供的解決方案。晶心科技以創(chuàng)新的彈性配置平臺(Configurable Platforms)，搭配獨特的軟硬件智財，來滿足未來客戶對產品高質量及快速上市的需求。晶心在自有CPU架構下經過幾年研發(fā)及市場的耕耘，目前的V3 CPU家族包括N7、N8、E8、S8、N9、N10、D10和N13系列都已成熟到位，滿足客戶各種應用面的全方位需求。

關于晶心科技提供之32位CPU IP，歡迎請參閱晶心科技網站 : www.andestech.com