汽车域控制器架构和OTA的心脏：网关的四大豪门（上）

汽车E/E架构的心脏就是网关，当然域控制器架构的心脏也是网关，此外OTA的唯一硬件承载体也是网关。网关是未来汽车电子里最核心的部分。

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上图为全球第一个域控制器车辆路虎卫士的网络架构，核心就是GWM即网关模块。

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上图是域控制器网关的典型架构，网关可以看做中央集线器，其主要作用有两点，一是处理不同的通讯协议如CAN、CAN-FD、以太网、FlexRay、LIN等。另一个作用是分发升级信息，即OTA。早期的网关芯片就是带比较多网络接口MCU的，现在变成MPU，运算能力大大增强了。网关芯片可分为一大三小，NXP占据绝对霸主地位，瑞萨、德州仪器和英飞凌正奋力追赶NXP。

网关芯片有几大难点：

首先，网关软件系统异常复杂，包括了Linux、RTOS、AUTOSAR、SDHC、IPCF、TCP/IP，需要足够强大的软件生态平台支持，但芯片厂家一人单打独斗是不行的，得有众多外围厂家配合，而外围厂家自然会选择市场上出货量最大的芯片来配合，如此一来就形成滚雪球效应，两者互相增强，这也是NXP网关一家独大的主要原因。对新兴厂家来说则是噩梦，没有人会为其配套开发软件。完全自主开发不现实，成本高昂，且芯片厂家技术能力不可能面面俱到，必须有第三方配合。

其次，网关芯片的通讯技术与物理层关系紧密，这是隶属模拟领域的知识，需要经验丰富的模拟芯片专家，需要几十年的技术积累，这也是为何没有初创网关芯片厂家的原因。此外，网关芯片牵涉复杂的时钟基准和ADC，这也是完全靠经验积累的领域，时钟的Jitter抖动消除的经验差不多是玄学。

再次，网关芯片需要数量庞大的物理层和交换机芯片配合，最好是一个厂家能全部包揽，这只有NXP能勉强做到。

最后，这么关键的芯片自然需要ASIL-D级安全认证。

恩智浦S32G-VNP-GLDBOX开发平台

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上图为NXP最新网关框架图，即S32G-VNP-GLDBOX开发平台，核心芯片S32G274A。所有关键芯片NXP都能提供。包括5路LIN，物理层是TJA1024和TJA1021，1路FlexRay，物理层是TJA1801，16路常规CAN，物理层包括TJA1024、TJA1043、TJA1643。一个9口的以太网交换机SJA1110A，7路百兆，2路千兆，还有3个独立的千兆以太网，合计12路。百兆以太网（802.3bw或TC10标准）物理层可以用NXP的TJA1100HN，车规级千兆以太网（802.3bp或TC12标准）物理层NXP还没有对应产品，一般会用Marvell的88Q2112。特别添加M.2接口，对应AI加速器可能用到的SSD。S32G2系列有4款芯片，最高为S32G274。

S32G274A内部框架图

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上图为S32G274A内部框架图，包含4个ARM Cortex-A53@1.0GHz核心，3个Cortex-M7@400MHz核心。Arm Cortex-M7作为MCU做对实时性要求更高的控制，例如动力域的Classic Autosar应用，而Cortex-A53由于高的主频和处理能力则主要用于算法的运行，例如跑信息娱乐或ADAS域基于QNX的Adaptive Autosar应用。只有S32G274A具备4个A53，S32G233A和S32G254A都是两个A53。S32G234M则没有ARM核。

S32G274的软件架构图

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S32G的低延迟通信引擎 (LLCE) 主要负责CAN、LIN 和FlexRay的通讯。LLCE 在校验和认证帧的过程中offload 主核的负载，并可基于片上的硬件安全模块 (HSE)处理帧的加密、解密过程。固件通过AUTOSAR MCAL （MCU抽象层，直接驱动硬件，需MCU厂家提供支持）集成到 AUTOSAR 通信堆栈中，NXP提供CAN_LLCE、LIN_LLCE和FR_LLCE的驱动程序。用于LLCE的AUTOSAR驱动程序与标准通信的CAN/LIN/FR驱动程序并行运行。NXP LLCE 固件支持用户创建的高级扩展。

数据包转发引擎(PFE)，PFE可大幅降低主机内核对以太网数据包的处理负载，比通过纯软件的处理方式具有更高的性能和更低的功耗。PFE具有2 Gbit/s的数据包转发速度且几乎不会对主机内核带去负载。

瑞萨R-Car S4网关芯片系统架构图

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上图为瑞萨S4的系统架构图，基本也是下一代汽车的电子架构图。

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上图为瑞萨设想的终极汽车电子架构即Zonal架构，瑞萨称之为汽车服务器架构，所有的运算都集中在中央服务器，通常有两个计算单元，一个是针对智能驾驶的，一个是针对Infotainment的，类似于目前服务器的概念，所有的应用通过超过1Gbps的以太网传输给服务器，服务器完成所有运算再将结果反馈给底盘或Infotainment的MCU。R-CAR S4是瑞萨最新的网关芯片，已获得本田量产车使用，以日系抱团的习惯，日系车会全面采用S4。S4于2022年2季度正式量产。

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上图为瑞萨S4的内部框架图，这是今年才量产的新产品，比S32G2系列要晚大约两年推出。S4性能显然更强，S4内含4个Cortex-A55内核，基准频率1.2GHz，最高运行频率2.5GHz，最高算力约27KDMIPS，是ARM于2012年10月推出的A53内核的升级产品。A53的算力是2.3DMIPS/MHz，A55是2.7DMIPS/MHz。算力方面S4相对S32有压倒优势，S32G274A的CPU算力大约9.2KDMIPS，不过按基准频率，S4大约是12.9KDMIPS，差距不算大。实时系统运算核是ARM的R系列旗舰R52，相对于M系列，R系列算力强很多，瑞萨只用了1个R52内核，运行频率1.0GHz，算力高达5300DMIPS。比3个运行频率400MHz的M7核算力还要高。MCU系统用了两个瑞萨的G4MH核，也就是RH850的内核。

外围方面，S4更强大，具备两个PCIe4.0接口，S32G2是3.0版。以太网方面，S4最高支持2.5Gbps的接口有三个，S32G2是1个。S4也有对老旧的EAVB的支持。支持16路CAN-FD，S32G2是4路。LPDDR也是4代，频率达3200MHz，也支持UFS。

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瑞萨S4中大量复用了RH850和R-CAR V3的IP，合计IP复用达88%，这大大减少了老客户的工作量，牢牢绑定日系老客户。对新客户来说则没什么诱惑力。

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瑞萨不再用网关的概念而是汽车计算服务器系统，上图就是瑞萨的汽车计算服务器系统架构，以太网交换机和物理层都不是瑞萨的强项，需要第三方支持。瑞萨也推荐Marvell的88Q2112，这是802.3bp标准的千兆车载以太网物理层芯片的最常见型号，也差不多是唯一可选择的型号。两路2.5Gbps显然是支持两个服务器计算单元，另外一路2.5Gbps是智能驾驶传感器网络的骨干网。

瑞萨的网关产品路线图

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S4的四大特色

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S4系统包含一系列外围芯片，这也是瑞萨持续收购模拟和混合芯片厂家的成果之一。2021年2月8日，瑞萨以49亿欧元（折合59亿美元）收购了英国IC设计公司Dialog，Dialog主要产品是电源管理IC（为苹果定做，占69%）、AC/DC功率转换、低功率蓝牙以及数字音频CODEC。苹果为其第一大客户，占其收入的66%。2021年之前，瑞萨已收购过两家混合信号IC公司，即IDT和Intersil，花费分别是67亿美元和32亿美元。IDT擅长时钟电路，两个时钟IC都由IDT提供，即RC21012和5P35023。Intersil擅长Buck整流，ISL78235AARZ就是Intersil提供。刚收购的Dialog则提供两个PMIC。

下篇会详细介绍德州仪器的DRA829、英飞凌的TC377T和意法半导体的SPC58H。