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英飛凌 Aurix? 2G TC3xx 入門介紹

汽車電子與軟件 2024-07-11

#01 前言

英飛凌AURIX? 2G TC3xx系列是針對汽車電子應用設計的高性能微控制器系列。這一系列產品采用了英飛凌的第二代AURIX（ A u tomotive R ealtime I ntelligence e X tended）架構，滿足功能安全ASIL-D，旨在滿足汽車領域對安全性、性能和效率的嚴格要求。

AURIX? 2G芯片從TC32X一直到旗艦的TC39X，覆蓋多個性能和功能區間，給用戶提供了較大的選擇空間。下圖是該系列芯片的官方命名規則：

自2018年發布以來，AURIX? 2G TC3xx系列被眾多主機廠以及零部件供應商選為控制器主控芯片，即MCU，與瑞薩RH850、恩智浦S32等系列共同占據著車規MCU的主流市場。

#02 內核

2.1 內核介紹

我們知道，每款芯片都需要有內核架構，或者說內核指令集，比如ARM內核、RSIC-V內核等。

英飛凌Aurix? 2G TC3XX系列芯片的內核架構是一種混合架構，同時結合了精簡指令集計算機（RISC）和復雜指令集計算機（CISC）的特征，稱為TriCore內核架構（以下簡稱TriCore）。它是一款專門為實時性進行了優化的32位的單核（這里的單核并非指芯片的單核，而是系統架構只涉及一個核，多核之間相互獨立，區別于多核架構）嵌入式系統架構。并因此配套形成了獨具特色的TriCore指令集系統。之所以命名為TriCore，是因為其集成了RISC架構、DSP架構和實時系統的技術于一體，形成了兼具三方優勢的內核架構。

TriCore架構采用了RISC-V的高性能load/store數據處理模式，同時具有DSP的數據處理能力。TriCore是32位計算機系統，因此采用32位地址空間，支持可選的虛擬地址空間。

AURIX? 2G TC3xx系列使用的是TriCore 1.6.2版本的內核，采用同構的方式，組成多核芯片。

2.2 上下文機制

TriCore內核獨創了一種上下文保存機制，采用獨立的Context Save Area（CSA）內存區域，將函數調用、中斷、Trap等的上下文（寄存器、返回地址、PSW等）與棧進行隔離，大大提高了上下文的安全性。而且利用硬件自動保存、讀取的機制，很大程度上提高了系統的實時性。

2.3 中斷系統

TC3xx系列芯片采用的是一種中斷路由的方式，通過IR模塊去接收所有外設請求，然后路由到指定的CPU或DMA，進行中斷服務（Service Request）。

其使用了中斷服務例程與優先級綁定的中斷向量表管理，極大程度上方便了中斷的應用。

2.4 異常處理系統

TriCore具有完善的異常捕捉系統，稱為Trap系統，其將異常分為8類，通過異常向量表進行管理，發生異常后由硬件進行上下文保存，并迅速跳轉至異常處理例程中，極大程度提升了實時性。

#03 芯片架構

3.1 架構總覽

MCU芯片包括CPU（內核）、輔助核、總線、存儲系統、外設以及外部接口等，是計算處理和交互的總和。因此除了內核架構以外，芯片的架構設計也至關重要。下圖是英飛凌官方的芯片架構示意圖：

從圖中我們可以看到，Aurix? 2G TC3xx系列最多支持6個核，支持鎖步功能，內核主頻最高支持300MHz，且每個核集成了最多240kB數據RAM（Data Scratch Pad RAM, DSPR）,配備16kB的DCache；每個核集成了最多64kB的程序RAM（Program Scratch Pad RAM，PSPR），配備32kB的PCache。Program Flash最多有16MB，被分成與核數量對等的物理塊，每個核與其耦合的PFlash之間有內部接口，加速程序取值。

除了內核以外，TC3xx系列還集成了其他核。包括硬件安全模塊（Hardware Security Module，HSM）、休眠控制器（Standby Controller，SCR)等，能夠單獨進行軟件開發，與主核以核間通信方式進行交互。

另外還有一些IP核，以外設的形式集成到TC3xx系列中，如通用定時器（Generic Timer Module，GTM)、硬件信號加速單元（Signal processing unit，SPU）、千兆MAC（ETH MAC）等等。這些外設核為MCU提供各種復雜的硬件功能。

除此之外，TC3xx對于對于嵌入式領域常用外設，具有豐富的支持，如DMA、ADC、SPI、CAN、I2C等。

我們可以看到，圖上各個模塊之間，有兩條灰色的線進行連接，一個是用于傳遞數據的System Resource Intercoonect，SRI總線；一個是用于外設控制的System Peripheral Bus，SPB外設總線。

TC3xx系列內部有三種總線：

System Resource Interconnect Fabric ( SRI Fabric )；

System Peripheral Bus ( SPB )；

Back Bone Bus ( BBB )。

其中SRI總線用于將CPU、DMA或者其他高帶寬請求設備連接到內存，用于進行數據訪問或程序取指。

SPB外設總線用于將CPU、DMA或者其他SPB總線的主設備，連接到外設（一般為中低速），用于外設訪問控制。

BBB總線用于將CPU、DMA或其他SPB總線的主設備，連接到ADAS資源。BBB總線使用較少，僅用于ADAS相關功能，本文不展開介紹。

3.2 總線

下圖為SRI總線示意圖：

我們通過上圖來介紹TC3xx SRI總線結構。首先在6核架構中，前4個核及其耦合的內存連接到SRI0中，剩余兩個核則連接到SRI1中。SRI0和SRI1通過S2S進行橋接。對于核內耦合的DSPR、PSPR和PFlash，通過本地總線接口進行訪問，如果跨核則需要通過SRI總線。

而對于掛在SRI總線上的設備（SRI Agent），存在主/從之分，對于CPU、DMA等進行數據存取的模塊，屬于Master，而DSPR、PSPR、PFlash這些被訪問的內存單元，則屬于Slave。所有掛在SRI總線上的Master都可以訪問其上的Slave，這樣的多對多連接方式形成了XBar結構，如下圖所示。

SRI為Master提供了Master Connection Interfaces（MCI）接口，用于連接Master與SRI總線，對于Slave則提供了Slave Connection Interfaces（SCI）接口。SRI總線負責進行從設備的訪問仲裁，以在多Master同時訪問Slave時解決沖突。其連接關系如下圖所示：

而SPB總線主要用于CPU進行各個外設的控制、數據收集，包括寄存器讀寫等。

#04 存儲系統

4.1 存儲結構

TC3xx系列的內存類型主要有以下幾種：

Data Scratch Pad RAM：DSPR，核內數據RAM；
Program Scratch Pad RAM：PSPR，核內程序RAM，可在啟動時將Flash中部分代碼拷貝到次，以提升取指速度；
Distributed LMU memory：DLMU，分布式核外RAM，一般作為多核共享RAM；
Program Flash：PFlash，程序flash，用于存儲代碼和常量，也就是我們使用刷寫工具刷寫的地方。

TC3xx系列的內存系統采用的是內核耦合設計，以上4種內存類型，每個核都有配套。

我們從上圖可以看出，對于核內耦合的相關內存，可以通過內部總線進行訪問，速度快于SRI總線。但是對于跨核訪問，也并不需要做額外的操作，可以說是無感，在這一點上對于多核系統設計非常友好，只是速度會略有差距。參考下表關于數據訪問的時鐘延遲。

4.2 地址映射

TC3xx地址映射以Segment進行劃分，每個Segment對應最高字節。

DSPR和PSPR一般是按照核進行地址分配的，比如DSPR0位于0x7000 0000（具體尺寸取決于具體型號），DSPR1位于0x6000 0000，其他核依此類推。而PSPR0位于0x7010 0000，PSPR1等依此類推。

對于Programe Flash，則位于以0x8000 0000起始的區域，比如PFlash0位于0x8000 0000，PFlash1位于0x8030 0000，依此類推。

Segment 8與Segment A對應的是相同的物理空間，只不過通過Segment 8訪問是Cached，而通過Segment A訪問則不經過Cache，沒有其他區別。

DLMU則位于Segment 9：

同樣，DLMU也有跨Cache訪問的地址Segment B，其與Segment 9在物理上對應同一塊區域：

#05 外設系統

作為車規級定制芯片，TC3xx系列為汽車行業應用提供了豐富的外設功能。下面我們針對常用的外設進行簡要介紹。

5.1 DMA

TC3xx系列支持最多128通道的Direct Memory Access（DMA），DMA設備通過SRI總線連接各個內存單元，具有靈活、高速的DMA搬運設置。

另外TC3xx系列芯片進行了獨具特色的連接設計，將硬件信號通過中斷路由器傳遞至DMA，以實現從各類定時器、通訊外設到DMA的觸發鏈路，以配合實現較為復雜的數據處理邏輯，大大解放了CPU的計算能力。

5.2 CAN

作為車規MCU，CAN是最重要的通訊方式，雖然當下車載以太網發展迅速，但是CAN網絡仍然是眾多主機廠電子電器架構的重要組成部分。

TC3xx系列采用了Bosch的M_CAN內核，符合ISO 11898-4協議，支持J1939協議，支持CAN2.0b標準，支持最多64字節的CANFD，支持5Mbit/s的波特率，且在時鐘高達80MHz的情況下可擴展至8Mbit/s。

TC3XX系列最多集成3個M_CAN模塊，每個模塊包含4個CAN Node，也就是最多支持12路CAN。每個Node擁有64個接收Buffer和32個發送Buffer。另外也可進行靈活的FIFO、Queue配置。

5.3 Ethernet

隨著智能汽車的發展，車載以太網也逐漸普及，尤其在智駕和座艙領域，因此對于車規MCU來說，Ethernet MAC模塊已然成為標配。

英飛凌Aurix? 2G TC3xx系列芯片的GETH模塊采用的是新思科技（Synopsys）的內核，全稱DesignWare Cores Ethernet Quality-of-Service（DWC_ether_qos）。

DWC_ether_qos通常用于嵌入式系統或網絡設備中，可以幫助實現更可靠的數據傳輸、更低的延遲和更好的網絡性能。

TC3xx系列中除了旗艦的TC39X系列具有兩個GETH模塊，即支持兩路MAC，其他大部分型號都只支持一路MAC。支持10Mbps\100Mbps的RMII協議以及1000Mbps的RGMII協議（部分中低型號不支持RGMII），提供符合IEEE 802.3-2008的MAC、MII協議。

5.4 STM、GPT12定時器

TC3xx的每個核都集成了一個64位不間斷的定時器System Timer（STM），可用于軟件計時、定時功能，同時還可用于Os的硬件Counter。

而從芯片層級，TC3xx系列集成了General Purpose Timer Unit (GPT12) ，分為GPT1和GPT2兩個子模塊，提供最多5路定時器功能，支持單次、連續定時，也可作為Os的硬件Counter。

5.5 GTM

在電機控制領域，或者一些傳感器來說，PWM信號的發送和采樣對于MCU來說是非常重要的功能。另外在某些場景下，存在信號邊緣計數、時間戳等功能，這時候就不得不依賴于高精度的定時器。

除了芯片自身的STM和GPT定時器，TC3xx還系列集成了Bosch的Generic Timer Module（GTM），最高支持200MHz時鐘頻率，且提供自由度極高的分頻配置，提供最高24位寬的定時器功能。

GTM具有多個子模塊，模塊可單獨工作，包括高精度定時功能、PWM波輸出功能和ICU波形監控功能，也可進行組合實現各種復雜功能，如電機半橋死區輸出功能、霍爾電機控制功能等。也可作為Os的硬件Counter。

GTM模塊具有獨立的內核，支持對其進行編程調試，也可作為芯片外設，通過外設寄存器進行訪問控制。Aurix? 2G系列芯片中集成的版本為GTM IP v3.1.5.1，支持作為外設使用，通過SPB總線控制，且與芯片內部其他模塊如中IR中斷路由模塊、Adc模塊等進行了連接設計，可配合實現復雜外設功能，同時解放CPU負載。

5.6 LIN

TC3xx系列中的LIN通訊通過ASCLIN模塊來實現，支持LIN version 1.3、LIN version 2.0、LIN version 2.1&2.2、J2602。

5.7 Flexray

FlexRay是一種用于汽車的高速、可確定性的，具備故障容錯能力的總線技術，它將事件觸發和時間觸發兩種方式結合起來，具有高效的網絡利用率和系統靈活性的特點。FlexRay能滿足傳統的CAN方案不能滿足的汽車線控系統（X-by-Wire）的要求，更多的使用在地盤領域。

TC3xx集成了E-Ray模塊，用來實現Flexray相關協議。支持FlexRay? protocol specification v2.1，最高支持10 Mbit/s通信速率。

5.8 其他通信模塊

除了上述以外，TC3xx還支持常規的SPI、I2C、Uart、Hssl等標準的板載級通信模塊，供用戶進行豐富的外設控制。

5.9 Port

TC3xx系列中提供多組引腳，一組引腳稱為Port，每個Port有最多16個Pin腳，支持豐富的驅動特性，如驅動強度，偏移率，上拉/下拉，推挽或開路漏極操作，選擇TTL或CMOS/自動輸入電平。每個Pin腳最多可通過寄存器配置7種復用功能，這對硬件電路設計提供了極大的便利。

TC3xx的引腳還具備急停功能，能夠根據急停輸入，截斷所配置引腳的輸出功能。

5.10 ADC

Infineon Aurix? 2G TC3xx中有兩個ADC模塊，一個是增強型Delta-Sigma模數轉換器（Enhanced Delta-Sigma Analog-to-Digital Converter，EDSADC），該模塊轉換速度快，主要為了配合旋變控制器進行電機控制；另一個就是增強型多功能模數轉換器（Enhanced Versatile Analog-to-Digital Converter，EVADC），采用逐次逼近式轉換原理進行模數轉換。

#06 其他功能

6.1 OTA功能

OTA（Over-The-Air，空中升級）技術當今已經逐漸普及，這就要求MCU具有與之匹配的特性。TC3XX提供了一種A/BSwap的無感升級方案，在物理上將Flash分區A區和B區，升級時升級備份分區，然后由Flash硬件進行地址映射翻轉，實現對于App無感的升級方案。此方案下App無需進行地址適配，升級失敗也能維持原有版本的運行。