Хомутов В.С., Краснокутский В.А. Применение микрокомпьютеров в автомобилестроении, их архитектура и способы повышения их быстродействия. В данной статье рассмотрены основные требования, предъявляемые к современным автомобильным микроконтроллерам, проблемы быстродействия и способы их решения.

Ключевые слова: микроконтроллеры, быстродействие

Khomutov V.S., Krasnokutsky V.A. Application of microcomputers in motor industry, their architecture and methods of increase of their fast-acting. The basic requirements produced to the modern motor-car microcontrollers, problems of fast-acting and methods of their decision, are considered in this article.

Keywords: microcontrollers, fast-acting

Введение

Компьютерные технологии с каждым годом занимают всё больше и больше значение в нашей жизни. Повсеместная компьютеризация не обошла стороной и автомобилестроительную отрасль.

В автомобилестроительной отрасли компьютерные технологии используются максимально широко, в основном применяются различные микроконтроллеры и другие цифровые логические схемы. Начиная от простых датчиков, снимающих показатели работы двигателя и заканчивая бортовыми компьютерами со встроенным GPS, и блоком мультимедиа.

Микрокомпьютеры управляют работой двигателя, отвечают за переключение передач типа «робот», управляют тормозной системой, системами безопасности. Такая загруженность предъявляет особые требования к повышенному быстродействию, надёжности и многозадачности микроконтроллеров. И основной проблемой разработчиков является, как раз, повышение быстродействия и многозадачности при сохранении невысокой стоимости, надёжности и помехозащищённости таких устройств.

Типы контроллеров в автомобилях

Автомобильные контроллеры бывают нескольких типов, начиная механическими и оптическими заканчивая многозадачными микрокомпьютерами. Механические контроллеры характеризуются высокой дороговизной и низкой надёжностью, поэтому сейчас они не применяются. Электрические аналоговые контроллеры требуют частой регулировки в процессе эксплуатации, что повышает стоимость обслуживания таких устройств. Все описанные ранее типы управляющих устройств имеют серьёзные недостатки, что делает их применение параллельно с микроконтроллерами, для уменьшения их загруженности слишком невыгодным. Таким образом, наиболее часто используемые схемы управления – это различные устройства, построенные на основе цифровых микросхем.

Какие задачи ставятся перед микроконтроллерами в автомобилях и способы их решения

В связи с бурным развитием и совершенствованием микроконтроллеров наблюдается рост степени интеграции и функциональных возможностей цифровых логических схем. Это позволяет выполнять параллельную обработку данных и гибко изменять конфигурацию устройства. Постоянно возрастают требования к бортовым контроллерам, к их вычислительной мощности, функциональности, надёжности. Помимо задачи сбора информации с датчиков, диагностики и управления возникают задачи требующие высокой вычислительной мощности контроллеров.

В зависимости от области применения управляющих систем меняются требования к ним. Например в области - управления электроприводом. Для управлением асинхронными электрическими двигателями применяется векторный алгоритм управления с преобразованием координат и бездатчиковой системой управления. Отсутствие датчиков позволяет упростить и удешевить систему управления, хотя и требует решения задачи моделирования работы двигателя в реальном времени. С другой стороны система управления двигателем внутреннего сгорания требует обширной сети датчиков, начиная с датчика температуры двигателя заканчивая датчиком дроссельной заслонки и датчиками форсунок. Также, в таком случае к управляющему микроконтроллеру, помимо требований повышенного быстродействия с возможностью выполнения различных математических функций и способностью работы в многозадачном режиме, предъявляются специфические требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, защита от влаги.

Способы повышения быстродействия управляющих систем в автомобиле

Существует несколько основных подходов к повышению быстродействия и многозадачности бортовых микроконтроллеров.

Первый подход – это увеличение количества ядер, что позволяет не повышая частоты работы микроконтроллера существенно повысить его производительность за счёт распределения задач управления различными системами и модулями на разные ядра.

Зачастую, в наше время применяется следующий подход. Различными системами управляют различные микроконтроллеры, что значительно повышает отказоустойчивость всей системы и позволяет подобрать для каждого модуля наиболее подходящий к нему тип микроконтроллера, однако такой подход сильно усложняет всю систему управления и повышает её стоимость.

С ростом требований к быстродействию бортовых микроконтроллеров скорости быстродействия, быстродействия микроконтроллеров построенных на основе CISC и даже, RISC архитектуры уже не достаточно. Повысить быстродействие позволило объединение RISC, CISC и DSP (Digital Signal Processor) модулей на одном кристалле.

Ещё один подход к увеличению быстродействия это создание микроконтроллеров со специфической архитектурой. Например, комбинирование на одном кристалле ядер с гарвардской и фон неймановской архитектурой и разделение между ними различных задач. В гарвардской архитектуре имеется раздельная память команд и данных. Физическое разделение этих модулей памяти позволяет организовать одновременный доступ к данным и командам, увеличивая при этом быстродействие. Ядрам с гарвардской архитектурой целесообразно будет поручить управление работой двигателя и другими модулями автомобиля, так как выполнение этих задач требуют высокой скорости вычислений и работы в режиме жёсткого реального времени и в ту же очередь эти процессы не требуют больших объёмов памяти, что нивелирует недостатки данной архитектуры. Так же для ещё большего повышения быстродействия управление простыми модулями, имеющимися у большинства современных автомобиля, таким как управление блоком ОБС, подушками безопасности и т.д. на жёсткие логические схемы или на отдельные специализированные микро-ядра. Фон неймановская архитектура имеет общий блок памяти для команд и данных, что позволяет более гибко использовать память. Ядра с такой архитектурой целесообразно будет использовать для выполнения задач требующих больших объёмов данных. Таких, например, как климат контроль, мультимедиа, спутниковая навигация.

Список литературы

1. Палуга К.А. Микроконтроллеры в системах управления современных автомобилей.
2. Хомутов В.С., Краснокутский В.А. Применение микрокомпьютеров в автомобилестроении, их архитектура и способы повышения их быстродействия. В данной статье рассмотрены основные требования, предъявляемые к современным автомобильным микроконтроллерам, проблемы быстродействия и способы их решения.
3. Khomutov V.S., Krasnokutsky V.A. Application of microcomputers in motor industry, their architecture and methods of increase of their fast-acting. The basic requirements produced to the modern motor-car microcontrollers, problems of fast-acting and methods of their decision, are considered in this article.