基于S32G芯片的域控制器生產相關方案設計

賈文偉

碩士學歷，現(xiàn)就職于國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心，主要從事汽車電子電控相關技術研發(fā)工作。

摘" 要：本文介紹了基于NXP S32G芯片的域控制器生產下線相關的軟硬件設計，包括程序刷寫，生產檢測及軟件工具，并對該域控制器的架構進行了總結，對域控制器的生產工作具有參考意義。

關鍵詞：域控制器;下線檢測;S32G;Bootloader;AUTOSAR

中圖分類號：U463.6" " " 文獻標志碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2022）04-0008-09

Based on S32G Chip Domain Controller Production Related Scheme Design

JIA Wen-wei， XU Kuang-yi

（ Beijing National New Energy Vehicle Technology Innovation Center CO.， LTD， Beijing 100176， China ）

Abstract： This paper introduces the software and hardware design of domain controller production downline based on NXP S32G chip， including program brushing， production testing and software tools， and summarizes the architecture of the domain controller， which has reference significance for the production of domain controller.

Key" Words： Domain Controller; End of line; S32G; Bootloader; AUTOSAR

1" " 引言

隨著汽車產業(yè)的快速發(fā)展，汽車電控系統(tǒng)的重要性越來越高，汽車電子電氣架構正在向算力更集中，通訊更快速，功能定制化，軟硬件解耦等方向發(fā)展。面向智能汽車下一代電子電氣架構的核心運算單元就是域控制器，域控制器擁有更強的算力，能夠集成更多的軟件功能。恩智浦S32G系列芯片是面向域控制器設計的高性能汽車網絡處理器，本文敘述了該域控制器的軟硬件方案設計，軟件調試刷寫，生產下線檢測等內容。

2" " 方案設計

2.1" "芯片選型

汽車域控制器的硬件設計需要考慮生產下線的需求，汽車零部件大規(guī)模量產的良品率有賴于下線檢測的可靠性，全面性，以及其操作的簡便性，下線流程需要考慮單板軟件程序刷寫，硬件檢測等環(huán)節(jié)的需求。

2.1.1 S32G主芯片（S32G274A）

恩智浦S32G系列芯片S32G274A的框圖如上圖1。

S32G274A芯片是S32G2x芯片系列最高配的一款，它具有7個處理器核：3x Dual-core lockstep ARM Cortex-M7@400MHz，4x ARM Cortex-A53（2 LS）@1GHz。

S32G MPU系列在引導過程中將代碼從外部FLASH復制到內部或外部RAM內執(zhí)行。代碼的初始復制由存儲在芯片內部BootROM中的代碼執(zhí)行，它支持的外部閃存接口包括QuadSPI和uSDHC（可以訪問SD、eSD、MMC、eMMC等存儲器件）。S32G處理器芯片面向開發(fā)和量產，設計了多種的程序刷寫和啟動方式，分別適應開發(fā)階段和量產階段。

BMODE1和BMODE2引腳是S32G將BootROM配置為正確狀態(tài)所需的第一個用戶輸入，BootROM對這些管腳進行采樣，以確定S32G引導配置。對于一個未編程的初始芯片，建議配置BMODE引腳選擇為Serial Boot引導。注意Serial Boot模式僅在DIS_SER_BOOT保險絲位未熔斷時可用。

BootROM程序根據(jù)FUSE_SEL，BMODE1，BMODE2三位的數(shù)值分別進入不同的Boot Mode模式，分別是Boot from communication interface，Boot from RCON，Boot from fuses三種模式。Boot from communication interface，通訊接口支持UART和CAN，適用于生產階段燒寫初始芯片。Boot from RCON適用于開發(fā)期間，在達到最終版本之前，可以多次更改引導配置。斷開啟動配置保險絲后，無法更改配置。如果配置包含錯誤，則設備可能無法引導。BootROM支持Boot from RCON傳遞配置參數(shù)的機制。Boot from RCON能夠在開發(fā)過程中更改引導配置，由于RCON配置數(shù)據(jù)位于芯片外部，而無需熔斷保險絲。Boot from fuses適用于量產后的工作模式，這種方法中，引導代碼從三個FUSE字節(jié)（BOOT_CFG1，BOOT_CFG2，BOOT_CFG3）中獲取引導配置數(shù)據(jù)。通過配置Boot_CFG1 [7：5]控制BootROM從不同的外部存儲啟動，支持QuadSPI FLASH存儲和μSDHC接口的SD/MMC/eMMC。

完成開發(fā)后，通過執(zhí)行以下步驟強制芯片始終從FUSE進行程序引導：

1. 用適當?shù)闹等蹟郆OOT_CFGn 保險絲值;

2. 熔斷FUSE_SEL保險絲以永久禁用Boot from RCON。在生產線上的下線編程期間，您可以通過Serial boot模式執(zhí)行此步驟;

3. 復位期間，將BOOTMOD引腳拉至所需狀態(tài);

下圖顯示了從保險絲、并聯(lián)RCON或串行RCON選擇BOOT配置信息源的邏輯視圖。

S32G芯片唯一基于硬件復位的CPU是HSE M7，可以稱為Boot CPU，BootROM代碼就是在Boot CPU上運行。IVT（Image Vector Table）是BootROM從引導設備讀取的第一個映像，包含BootROM啟動所需的數(shù)據(jù)和代碼的起始地址，包括Image入口指針、指向設備配置數(shù)據(jù)（DCD）的指針，以及BootROM在引導過程中使用的其他指針。IVT的放置位置是BootROM唯一要求固定的。其余的Image內存映射是靈活的，可以通過IVT的內容進行跟蹤。

DCD是Device Configuration Data的縮寫，設備配置數(shù)據(jù)用于BootROM配置內存接口、DRAM等的命令列表。HSE固件是為S32G芯片提供的安全引擎。表中Application Boot Code Flash就是指的customer bootloader客戶引導加載程序，是要在設備上執(zhí)行的第一個客戶代碼。任何進一步的應用程序加載都由用戶控制，在加載主應用程序時可以分段加載，以便更快地開始執(zhí)行。

BootROM配置外部內存并加載固件，HSE Firmware 加載客戶bootloader程序運行，從Bootloader程序開始執(zhí)行用戶的程序，由Bootloader程序加載用戶的所有其它應用程序。

2.1.2 PMIC電源芯片（VR5510）

針對S32G芯片，NXP設計有配套的電源管理芯片VR5510，它是一款汽車級多輸出電源管理芯片，主要用于網關、車內網絡、域控制器、遠程通信和V2X通信。該PMIC芯片包括多種高效開關模式和線性電壓調節(jié)器。

VR5510提供了在Debug模式下評估設備的方法，調試模式允許用戶通過I2C接口訪問OTP寄存器集、修改寄存器和測試設備功能。在調試模式期間，所有調節(jié)器保持關閉狀態(tài)。

VR5510按以下順序進入調試模式：

1. 施加大于5V的VDDOTP引腳。

2.應用VSUP1/2gt;VSUP_UVH和PWRON1gt; PWRON1VIH或PWRON2gt;PWRON2VIH。

3.設備現(xiàn)在以調試模式啟動，準備調試或OTP編程。

4. 應用VDDOTP=0 V以打開修改配置的設備。

在Debug模式下，看門狗窗口完全打開，不需要看門狗刷新。因此，在Debug模式下VR5510可以給后級的主芯片S32G正常提供電源。

2.1.3 SWITCH交換芯片（SJA1110A）

SJA1110A是汽車級的以太網交換機芯片，具有多達十個以太網端口，提供市場上最高度集成和安全的汽車以太網交換機解決方案。高級安全功能包括一個安全引導選項，允許在執(zhí)行前對固件進行身份驗證。SJA1110提供了具有創(chuàng)新性的功能，如深度高達128字節(jié)的幀檢查、兩個可高達2.5Gbit/s的SGMII接口，以實現(xiàn)高效級聯(lián)，以及與主機處理器的上行鏈路。SJA1110A是一款專用的汽車交換機芯片，通過AEC-Q100認證，并符合ISO26262 ASIL B要求。

SJA1110主要有兩個適用于軟件布置的用例：

1. 僅使用外部主機處理器

SJA1110A的uC可以關閉，所有軟件集成在外部主機上，通過SPI進行注冊訪問。這種方法不需要外部Flash程序存儲。有標準的AUTOSAR組件可以使用。可以選擇更高功能安全等級的配套芯片，如支持鎖步的主芯片。

2. 使用SJA1110A的內部微控制器

交換機配置、gPTP等網絡特定應用在SJA1110 -uC上運行，這樣SoC芯片（本文指S32G芯片）就不用擔心這個的軟件了，分離了關注點，SJA 1110A芯片管理自己。可以實現(xiàn)從QuadSPI閃存快速啟動，而且可以活得NXP免費的軟件支持包。對于整個硬件方案來說，還獲得了額外的SoC主芯片之外的計算能力。

2.2" "硬件設計

域控制器的硬件設計不僅需要考慮功能需求定義，功能實現(xiàn)，同時也要考慮域控制器在開發(fā)階段和生產階段的需求。面向開發(fā)和生產階段的需求，需要考慮PCBA的生產檢測，程序刷寫，量產維護等[9]，圖9硬件架構主要考慮了相關需求。

域控制器在開發(fā)階段，開發(fā)人員需要使用JTAG端口進行程序調試。根據(jù)硬件架構框圖可以了解，涉及到軟件開發(fā)的芯片有主芯片S32G274A和交換機芯片SJA1110A，硬件設計時相應的JTAG端口需要預留。在軟件開發(fā)完成后生產階段該JTAG口需要去掉，生產過程中通過測試夾具燒寫代碼。S32G主芯片的Aurora trace端口未作預留。

硬件版本控制是硬件設計和系統(tǒng)設計時非常容易忽視的問題，但卻是一個非常重要的需要考慮的需求點。硬件版本大部分情況是通過軟件寫入ROM的硬件版本來識別和控制，但軟件寫入的版本是可以更改的，也是非常容易寫錯的，這樣設計一個硬件版本的電路，軟件程序來只讀，就不存在寫錯或丟失的問題。硬件設計電路也非常簡單，采用3個GPIO輸入，實現(xiàn)軟件可識別的8個硬件版本。S32G主芯片的唯一芯片ID最好也讀出來與硬件版本一起組成域控制器硬件屬性，記錄到生產數(shù)據(jù)庫中。

硬件架構中的開關電路X1，X2，分別用來控制電源芯片VR5510和主芯片S32G274A的工作模式。

在介紹VR5510章節(jié)2.2節(jié)中，有重點提到Debug工作模式。在軟件未開發(fā)完成驅動VR5510之前，VR5510需要工作在Debug模式下，才能夠正常輸出電壓。硬件架構設計X1開關電路就是為了滿足開發(fā)階段和燒寫初始S32G芯片程序前，域控制器單板能夠正常上電的需要。在生產和量產階段，由于主芯片S32G還沒有程序驅動VR5510芯片來進行正常的喂狗，VR5510無法正常給S32G芯片供電，因此，需要短接X1開關進入Debug模式，實現(xiàn)S32G主芯片程序的燒寫。

在介紹S32G274A的章節(jié)2.1節(jié)中，有重點介紹S32G的啟動方式及設置。硬件架構X2開關電路是為了滿足S32G啟動方式的不同輸入而設計。S32G主程序在OTP中FUSE_SEL位未燒寫前，X2未閉合，BMODE1，BMODE2都為零，S32G啟動進入Serial Boot工作模式，可以通過CAN或者UART進行程序的刷寫。本文硬件架構中設計有CAN0通道和UART0通道用來支持Serial Boot工作模式，可以應用到開發(fā)和生產階段燒寫S32G程序。X2閉合后，BMODE1=1，BMODE2=0，S32G啟動進入Boot from RCON工作模式，可以通過EERPOM中第一個WORD中Boot_CFG1[7：5]的映射位進行選擇從哪里啟動用戶代碼，支持QuadSPI FLASH存儲和μSDHC接口的SD/MMC/eMMC，本文硬件架構設計支持QuadSPI Flash和eMMC Flash。

在介紹SJA1110A的章節(jié)2.3節(jié)中介紹了該芯片的兩種軟件用例，主芯片S32G與SJA1110A交換機芯片之間通過SGMII實現(xiàn)以太網數(shù)據(jù)的通訊，通過SPI接口實現(xiàn)主芯片S32G對交換機芯片SJA1110A的管理。在采用S32G外部芯片主控的用例中，SJA1110A可以通過SPI接口從S32G下載程序運行，也可以不用SJA1110A的M7核，只通過SPI訪問交換機相關寄存器配置管理。在采用內部M7微處理器的用例中，需要硬件設計QuadSPI Flash來存儲微處理器的程序代碼，SJA1110A未設計有Serial Boot類似的燒寫功能，因此，該程序的刷寫只能通過S32G主芯片通過SPI接口來實現(xiàn)，NXP當前還未提供相應的驅動。另外一種方式只適用于開發(fā)階段，通過SJA1110A的JTAG接口來刷寫內部M7核的程序到外部QSPI FLASH。本文設計的硬件架構兼容了SJA1110A芯片的兩種軟件用例。在生產和量產階段，首先需要燒寫內部OTP中FUSE_SEL位為1，然后通過短接X2（BMODE0置1）實現(xiàn)S32G主芯片進入Serial Boot模式，通過CAN或UART口實現(xiàn)燒寫B(tài)ootloader程序至QuadSPI Flash，再斷開X2（BMODE0置0）實現(xiàn)S32G主芯片從BOOT_CFG寄存器設置BOOT源啟動。

2.3" "軟件設計

S32G主芯片資源有4個Cortex-A53 核，用來運行復雜操作系統(tǒng)（如Linux，QNX，WIND），4個A核可以運行1個操作系統(tǒng)，也可以通過Hypervisor運行多個操作系統(tǒng)。S32G還有3對鎖步Cortex-M7核，用來運行實時操作系統(tǒng)，處理實時事件。在M核安全軟件架構上支持AUTOSAR和Free RTOS操作系統(tǒng)。S32G主芯片支持的軟件資源框圖如下圖10。

本文單板域控制器的軟件架構以A核運行1個Linux操作系統(tǒng)，M核運行1個AUTOSAR操作系統(tǒng)為例，設計軟件架構如圖11。

本文設計的軟件架構是比較簡單的一個軟件用例，未考慮多操作系統(tǒng)，主備軟件，安全啟動等情況。單純地為了闡述單板如何燒寫軟件，燒寫哪些軟件，軟件如何打包，軟件如何運行等問題。

S32G主芯片上電運行的第一個用戶程序可以設置為QSPI Flash上的Bootloader，再由Bootloader程序啟動其它用戶程序。Bootloader程序的燒寫需要用到S32G主芯片Serial boot模式，通過UART0或CAN0燒寫進QSPI Flash，需要用到NXP提供的燒寫工具軟件S32FlashTool。該軟件支持燒寫eMMC Flash器件，如UBoot，Linux kernel，Linux sytem image等存放在eMMC上的軟件代碼亦可以通過S32FlashTool燒寫。

針對生產下線檢測[8]的需求，軟件開發(fā)人員需要設計開發(fā)用于該滿足需求的一套生產測試軟件。為了能夠使下線產品測試全面，硬件質量有保障，生產測試軟件的架構需要能夠驅動單板所有的硬件資源器件，并進行全面的功能測試，以免硬件下線存在硬件故障而不知。

另外，生產測試的軟件需要讀取硬件版本，并進行匹配比對，判斷燒寫的測試軟件是否適合該硬件版本的生產下線檢測。在生產過程中由于操作的失誤，很有可能會把軟件燒寫成錯誤的版本，造成生產下線檢測錯誤，程序中設計軟硬件版本的比對的機制，可以避免相關錯誤。

生產測試軟件包括S32G主芯片運行的Bootloader軟件包，M核Classic AUTOSAR測試軟件包，用于A核的UBoot，Linux kernel，Linux下線測試文件系統(tǒng)，還包含運行于SJA1110A交換機芯片的微處理器程序。SJA1110A軟件用例如采用內部微處理器的方式，S32G的生產下線檢測程序需要支持刷寫SJA1110A交換機芯片QSPI Flash程序刷寫。該功能通過SJA1110A的SPI_HAP端口與S32G主芯片通訊來實現(xiàn)程序數(shù)據(jù)的傳輸，并實現(xiàn)程序數(shù)據(jù)的燒寫，最后把燒寫結果通知S32G主芯片并反饋給生產測試程序。

3" " 方案分析

硬件設計方案兼顧了開發(fā)階段和生產階段。

開發(fā)階段軟件開發(fā)人員可以通過JTAG接口調試開發(fā)軟件，通過插拔X1開關進入VR5510的Debug模式，可以在沒有S32G軟件驅動情況下，使單板進入上電狀態(tài)。通過X2開關選擇S32G芯片啟動模式，選擇Serial boot 還是Boot from flash。選擇QSPI flash還是eMMC flash啟動通過EEPROM或OTP字節(jié)進行選擇。

生產階段（X1和X2未焊接）燒寫軟件程序，初始芯片燒寫通過生產測試夾具實現(xiàn)短接X1開關，使VR5510進入Debug模式，單板正常上電工作，并通過生產測試夾具實現(xiàn)X2短路，S32G進入Serial boot工作模式，通過S32FlashTool軟件刷寫生產測試相關的軟件包。生產測試相關的軟件包配合生產下線流程，完成相關的下線檢測工作。

該硬件方案在結構殼體安裝完成之后，無法進行Serial boot工作模式下的程序刷寫，除了Bootloader之外的用戶程序都需要Bootloader程序支持刷寫。另外，還需要支持S32G，VR5510和SJA1110A三個芯片OTP字段的刷寫。Bootloader程序最好還要支持硬件版本，生產日期，產品ID等域控制器生產信息的讀寫，方便生產階段生成生產數(shù)據(jù)庫，便于后期產品維護。

4" " 結束語

本文闡述了基于NXP S32G芯片的域控制器的軟硬件設計，主要考慮了域控制器單板在開發(fā)階段和生產階段需求。詳細介紹了方案中選型的三塊關鍵芯片，并對芯片的相關特性進行了說明。從開發(fā)和生產的角度對域控制器進行了硬件設計和軟件設計，考慮了軟件硬件調試，程序刷寫更新以及生產測試軟件包集合。本文最后對技術方案進行了總結分析，總結了開發(fā)和生產階段硬件軟件操作步驟，并指出了Bootloader程序應實現(xiàn)的幾個功能對生產下線的作用。本文闡述的相關內容對域控制器的軟硬件設計和生產工作都具有一定的參考意義。

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專家推薦語

何" "葵

東風汽車集團有限公司技術中心

副總工程師

本文對基于S32G的域控制器軟硬件開發(fā)進行了簡單介紹，重點對生產相關的硬件設計要求、測試軟件和BootLoader設計要求進行了分析和說明。總體思路清晰，對基于S32G的域控制器開發(fā)和生產管控有一定的參考價值。