技術專欄 | 芯馳E3650：為理想星環OS保駕護航（一）

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引言

當智能汽車以120km/h的速度疾馳時，每一毫秒的計算延遲都可能關乎生命安全。在理想汽車星環OS（HaloOS）的硬實時系統中，MCU芯片承擔著整個系統的"神經中樞"角色——它必須在嚴格的時間約束內，精準完成從傳感器數據采集、實時決策到執行器控制的全鏈路處理。

作為HaloOS 的智控首發平臺和核心MCU供應商，芯馳科技的E3650芯片正是為這樣的極致要求而生。今天，我們將揭秘E3650如何通過創新的性能與架構設計，為智能汽車的硬實時系統提供堅實的算力基礎。

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為什么智能汽車需要高性能MCU？

在傳統汽車電子系統中，MCU主要處理相對簡單的控制任務。但在智能汽車時代，系統復雜度呈指數級增長：

?多傳感器融合

需要同時處理來自雷達、攝像頭、超聲波等多路傳感器的實時數據。

? 復雜算法執行

從簡單的PID控制升級到復雜的融合算法、決策邏輯和預測模型。

?嚴苛的實時性要求

在硬實時系統中，任何一個環節的延遲都可能導致系統失效。

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E3650的多核異構架構：為實時而生

3.1架構總覽

E3650采用業界領先的多核異構架構，針對不同的實時需求進行了精心設計：

? 高性能Cortex-R52+主核

?高算力強實時R52+集群，行業同等級最高主頻600MHz

?支持鎖步模式（Lockstep），滿足ASIL-D功能安全要求

?專為實時控制優化，中斷響應延遲低至納秒級

? 多功能Cortex-R5輔助核心

?超強算力信息安全CPU，吞吐率倍數于競品的硬件加速器，硬件支持國密算法

?低功耗CPU，極致的運行/靜態功耗，支持豐富的喚醒源

? 硬件加速單元

?SSDPE硬件通信引擎，CAN/CANFD轉發不占用CPU

?雙路GBit以太網（TSN），支持硬件環網架構，可節省Switch芯片

3.2 實時性能指標

基于E3650的架構特性，在HaloOS的實際應用中，我們測得以下關鍵性能指標：

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內存架構：消除性能瓶頸

再強的 CPU，如果沒有高效的內存系統支撐，也會成為"巧婦難為無米之炊"。E3650在內存架構上做了精心設計。

4.1TCM（緊耦合內存）

緊耦合內存（TCM，Tightly Coupled Memory）是E3650實時性能的第一道保障。

? 核心特性

?每核獨享128KB

避免總線競爭，訪問延遲為零等待周期（2個多功能核各自具有 64KB TCM）；

? 直連CPU核心

物理位置緊鄰處理器，數據路徑最短；

?無緩存干擾

不經過Cache，訪問時間100%確定；

? 典型應用場景

在HaloOS中，可將所有ASIL-D級別的控制代碼和中斷向量表都部署在TCM中，確保最壞情況執行時間（WCET）的絕對可預測性。

4.2IRAM：片上"高速公路網"

片上SRAM （IRAM）是E3650的第二層內存體系，提供了大容量的的高速存儲空間。E3650的IRAM控制器支持ECC功能，可工作在兩種模式：

模式一：ECC使能（安全優先）：

?數據 RAM + ECC RAM：采用（64，8）漢明碼；

?單比特糾錯+雙比特檢測（SECDED）；

?每 64 位數據 RAM 配備 8 位 ECC RAM，總計提供額外的 1/8 空間用于ECC；

?適用場景：功能安全要求高的關鍵數據存儲；

?模式二：ECC禁用（容量優先）

?純數據存儲：ECC RAM空間可轉為數據RAM使用，提供額外的存儲空間；

?適用場景：對容量需求大、安全等級要求相對較低的應用；

4.3 CRAM：權限管理的"智能網關"

在汽車芯片領域，談到片上存儲，大家最熟悉的莫過于上述的 IRAM（Internal RAM）。但芯馳E3650采用的CRAM（Coherency RAM）卻遠不止是一塊簡單的內存，它更像是一位智能管家，不僅提供存儲空間，還負責數據安全、訪問控制和錯誤防護。

傳統MCU的IRAM就像一個"公共倉庫"：任何有權限的模塊都能隨意讀寫，沒有區域劃分，也缺乏數據保護機制。這在功能安全要求日益嚴苛的汽車電子領域，已經難以滿足需求。

芯馳E3650的CRAM則完全不同。它在保留高性能直接訪問特性的同時，引入了安全管控能力，讓片上存儲真正成為系統安全架構的一部分。

優勢一：分區管理

CRAM 支持將內存劃分為8個獨立區域，每個區域都有獨立的起止地址和訪問權限配置。這就像把一個大倉庫改造成了帶門禁的分區儲藏室，在一顆運行AUTOSAR的汽車ECU中，您可以這樣規劃：

?區域0-1：存放安全域的關鍵算法和密鑰，僅允許安全核心讀寫

區域2-3：存放應用層的實時數據緩沖，允許應用核心訪問

?區域4-5：診斷數據區，允許診斷服務讀取但禁止寫入

區域6-7：預留給OTA升級臨時數據

優勢二：多維權限控制

CRAM引入了4級權限體系：

安全域（SEC） vs 非安全域（NSE）

?特權模式（PRI） vs 用戶模式（USER）

每個區域的訪問權限可以獨立配置為：禁止訪問、只寫、只讀、讀寫四種模式。CRAM區域規劃示例如下，這種設計確保了即使座艙系統的某個第三方App存在漏洞，也無法竊取ADAS系統的傳感器數據或篡改安全核心的密鑰。

4.4 片上非易失性存儲 eNVM

芯馳E3650集成專為車規級應用設計的高性能非易失性存儲解決方案，提供了16.5MB的非易失存儲能力。支持雙區架構及 A/B 分區啟動、安全啟動等關鍵特性，HaloOS可輕松應用E3650實現安全的OTA升級。

?ECC錯誤保護：

?支持ECC檢錯機制和記錄錯誤地址；

?對于可糾正的ECC錯誤，硬件自動重試讀取直到數據正確或達到最大重試次數；

?重試次數可配置，并提供重試成功計數器；

?HSM安全鏡像區域：

?專為硬件安全模塊(HSM)預留高安全鏡像區域；

?支持HSM密鑰區域保護，僅允許HSM讀取或HSM核心在特定信號下寫入；

4.5 IRAM_LP：低功耗域的"守夜人"

相比通用的 IRAM，IRAM_LP 不僅在低功耗模式下可用，更可提供靈活的容量禁用機制，可實現分級功耗控制，支持用戶實現分場景功耗策略，運行模式全開，待機模式部分禁用，深度睡眠大幅禁用。

?000: 128KB全開啟（高性能模式）

?001: 禁用16KB，保留112KB（性能優先）

?010: 禁用32KB，保留96KB

?011: 禁用48KB，保留80KB

?100: 禁用64KB，保留64KB（平衡模式）

?101: 禁用80KB，保留48KB

?110: 禁用96KB，保留32KB

?111: 禁用112KB，僅保留16KB（極致省電）

4.6外部XSPI接口（擴展串行外設接口）

E3650集成了業界領先的XSPI（擴展串行外設接口）控制器，為系統提供靈活高效的外部存儲擴展能力。XSPI是Hyperbus接口的超集，支持Hyperflash和HyperRAM設備訪問，同時兼容標準的SPI Flash設備。

? 核心特性：

?多通道架構

支持雙通道1/4/8位數據線SPI flash和HyperRAM，每通道支持2個片選引腳，可同時連接多個存儲設備

? 高帶寬支持

支持8位數據線flash和HyperRAM，提供更高的數據吞吐率

?靈活的數據率

支持SDR（單倍數據率）和DDR（雙倍數據率）模式，適應不同性能需求

?XIP模式

支持XIP（就地執行）模式，CPU可直接從外部Flash執行代碼，無需先加載到RAM

? 高級特性

?智能預取機制

支持數據預取，多個專用主組（Master Group）和1個共享組，大幅提升連續訪問性能

? 內聯AES128加密

支持內聯AES128保護，在數據傳輸過程中實時加解密，確保存儲數據安全

?加密密鑰管理

內置加密密鑰管理功能，支持多個密鑰存儲和管理，滿足功能安全要求

?主從通信模式

支持主從通信模式，可實現XSPI控制器之間的互聯

? 典型應用場景

?外設擴展

可搭配芯馳 E3010 擴展芯片，靈活拓展 SPI、PWM捕獲、PWM輸出、ADC等多種數字、模擬接口

? 啟動代碼存儲

將啟動代碼存儲在外部Flash，支持XIP直接執行，節省寶貴的片上存儲資源

?固件更新存儲

存儲備用固件和配置數據，支持安全的在線升級

?日志記錄存儲

利用大容量外部存儲記錄系統運行日志和診斷數據

通過智能預取和緩存管理，XSPI接口可以有效降低外部存儲訪問延遲，提升系統整體性能。在DDR模式下，配合8位數據寬度，可以達到極高的數據傳輸速率，滿足實時系統對外部存儲的苛刻要求。

4.7 確定性內存訪問

在硬實時系統中，內存訪問的確定性比平均性能更重要。E3650通過以上硬件機制保證：

?獨占訪問路徑

TCM可設置為每核獨占，避免總線競爭；

? 優先級仲裁

內存總線支持優先級，高優先級任務優先訪問；

?緩存鎖定

關鍵代碼可鎖定在緩存中，避免不確定的緩存miss；

這些設計確保了在最壞情況下，內存訪問延遲依然可控，滿足硬實時分析的要求。

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總結與預告

E3650的高性能多核架構為HaloOS的硬實時系統提供了堅實的算力基礎：

? 多核高算力：強大且確定的實時計算能力

? 硬件調度支持：極低開銷的任務切換和優先級管理

? 多層次內存：消除內存瓶頸，確保訪問確定性

性能只是芯片的一個維度。在下一期文章中，我們將深入探討E3650如何通過功能安全設計和冗余機制，確保即使在極端故障情況下，系統依然能夠安全可控。

在汽車電子領域，安全永遠是第一位的。敬請期待！

關于芯馳

芯馳科技是全場景智能車芯引領者，專注于提供高性能、高可靠的車規芯片，覆蓋智能座艙和智能車控領域，涵蓋了未來汽車電子電氣架構最核心的芯片類別。

芯馳擁有超200個定點項目，服務260余家客戶，覆蓋國內90%以上主機廠及多家國際主流車企，包括上汽、奇瑞、長安、東風、一汽、日產、本田、大眾、理想等。目前，芯馳全系列芯片均已量產，累計出貨量突破900萬片，搭載于130余款主流車型。