System-on-Module Die perfekte Symbiose für Automotive & Co

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Microsys Electronics adaptiert NXP-Prozessoren auf System-on-Modules für echtzeitkritische Branchen, darunter Baumaschinen sowie den Automobilsektor. Durch eine hohe Softwareintegration entstehen Applikationen, die den modernen Anforderungen an Echtzeit und Sicherheit entsprechen.

Moderne Fahrzeuge sind hochkomplexe vernetzte Systeme, in denen eine Vielzahl an Steuergeräten und Softwaremodulen miteinander interagiert. Millionen von Codezeilen müssen hierin zuverlässig, sicher und effizient arbeiten um ein „Software-defined Vehicle“ zu ermöglichen. Neben funktionalen Aspekten müssen Entwickler strenge Normen wie ISO 21434 für Cybersecurity und ISO 26262 für funktionale Sicherheit einhalten, um Manipulationen und Datenlecks zu verhindern sowie die Integrität der Software sicherzustellen.

Auch das Elektrifizieren des Antriebsstrangs erfordert spezialisierte Software. Hinzu kommen autonome Fahrfunktionen sowie KI-gestützte Assistenzsysteme, die auf hochentwickelten Algorithmen und einer Echtzeitverarbeitung großer Mengen an Sensordaten basieren. Diese Systeme müssen nicht nur den spezifischen Anforderungen der Automobilindustrie entsprechen, sondern sich zudem flexibel an unterschiedliche Marktanforderungen und regulatorische Vorgaben anpassen lassen. Chip-Hersteller wie NXP Semiconductors entwickeln speziell auf Automobilapplikationen optimierte System-on-Chips (SoCs), die von Embedded-Herstellern wie Microsys Electronics in System-on-Modules (SoMs) mit KI- und Machine-Learning-Funktionen überführt werden.

System-on-Module löst Echtzeitanforderungen

Um den steigenden Anforderungen an Hard- und Software gerecht zu werden, setzen Unternehmen zu-nehmend auf Partnerschaften, wie es Microsys Electronics und Cetitec vormachen. Während Microsys die hochentwickelte Hardware bereitstellt, liefert Cetitec die darauf abgestimmte Software für Echtzeit-Applikationen.

Aus dieser Zusammenarbeit wurde das miriac MPX-S32Z2 SoM entwickelt. Es basiert auf dem S32Z2-Prozessor von NXP, der über acht Arm Cortex-R52 Cores mit Split-Lock-Funktion verfügt. Die leistungsstarken 32-Bit-Prozessoren erreichen Taktraten von bis zu 1 GHz. Ergänzt wird die Architektur durch einen Cortex-M33-Lockstep-Kern, der auf der Arm TrustZone-Architektur basiert und erweiterte Sicherheitsmechanismen wie Spei-cherschutz und isolierte Applikationsausführung implementiert.

Die CPU ist für hochperformante Echtzeitverarbeitung optimiert und verfügt über eine Core-to-Pin-Hardwarevirtualisierung, was die Übernahme bestimmter Aufgaben durch einzelne Kerne ermöglicht. Hierdurch lassen sich sicherheitskritische Anwendungen mit hoher Priorität ausführen, während weniger kritische Prozesse in isolierten Bereichen verarbeitet werden. Der Prozessor integriert zudem eine digitale Signalverarbeitung (DSP), die speziell für Machine-Learning-Algorithmen optimiert wurde. Mit einer Rechenleistung von bis zu 25 GigaFLOPS (Floating Operations per Second) ermöglicht die Plattform das Implementieren KI-gestützter Algorithmen für Fahrerassistenzsysteme, autonome Fahrfunktionen oder Predictive Maintenance.

Mit Abmessungen von lediglich 82 × 50 mm ist das Modul optimal für platzkritische Anwendungen ausgelegt. Aufgrund dieses geringen Platzbedarfes ist es daher einfach in bestehende Steuergerätegehäuse zu integrieren. Für eine leistungsfähige Datenverarbeitung verfügt das Modul über 2 GB LPDDR4-Speicher mit 1600 MT/s sowie 512 MB QSPI Flash. Das Modul ermöglicht beispielsweise die Integration und Vernetzung von Prototypen und Achsträgern in Automotive-Applikationen. Bestehende Achsträger-Plattformen lassen sich um neue Subsysteme, hybride Antriebe oder Infotainment-Systeme erweitern, während das System gleichzeitig eine Umgebung simuliert, die bereits mit der zukünftigen Technologie ausgestattet ist.

Effiziente Domänen- und Zonensteuerung durch spezialisierte Beschleuniger

Ein Alleinstellungsmerkmal des Prozessors sind die dedizierten Beschleuniger für Sicherheitsverarbeitung und Netzwerkkommunikation. Bei NXP wird dies auch als FlexLLCE (Low-Latency Communication Engine) oder PFE (Packet Forwarding Engine) bezeichnet. Durch diese spezialisierten Engines ist die CPU in der Lage, Domänen- und Zonensteuerungsaufgaben in Fahrzeugarchitekturen effizient zu übernehmen. Die Verarbeitung erfolgt mit minimaler Latenz, wodurch sich sicherheitskritische Anwendungen wie Steuergeräte-Kommunikation oder Echtzeit-Datenverarbeitung in Fahrzeug-Gateways erheblich beschleunigen lassen.

Häufig wird in dem Zusammenhang von Hardware-Beschleunigung gesprochen, tatsächlich basiert die Optimierung auf einer speziell entwickelten Firmware, die genau auf die zugrunde liegende Architektur abgestimmt ist. Hiermit lassen sich echtzeitnahe Signalverarbeitungs- und Routing-Operationen durch-führen, ohne die Hauptprozessoren zu belasten.

Die Architektur ist zudem hochskalierbar und erlaubt es Entwicklern, unterschiedliche Betriebssysteme auf den Kernen zu implementieren. Neben QNX für leistungsfähige Steuerungssysteme lässt sich auch AUTOSAR OS für ressourcenschonende Echtzeitverarbeitung adaptieren. Durch die parallele Nutzung mehrerer Betriebssysteme lässt sich jede Softwarekomponente optimal für ihre jeweiligen Aufgabenbereiche ausführen.

Umfassende Konnektivität für moderne Fahrzeugarchitekturen

Die zunehmende Segmentierung moderner Fahrzeugarchitekturen in Domänen- und Zonensteuerungen erfordert eine leistungsfähige Vernetzung zwischen verschiedenen Fahrzeugsystemen. Aus diesem Grund ist das SoM mit einer breiten Palette an Schnittstellen ausgestattet wie zweifach Gigabit-Ethernet, 16 CAN-Schnittstellen, drei I3C-Ports, sowie Zipwire, FlexRay und LIN. Diese Kommunikationsstandards decken sowohl traditionelle als auch moderne Vernetzungsarchitekturen ab und ermöglichen eine effiziente Anbindung an bestehende Steuergeräte und Sensorik.

Während CAN weiterhin für viele klassische Steuergeräte und Sensoren zum Einsatz kommt, gewinnen moderne Hochgeschwindigkeits-Bussysteme wie FlexRay und Ethernet-basierte Kommunikationsproto-kolle an Bedeutung. Aurora, ein serielles Hochgeschwindigkeitsprotokoll, dient zum Übertragen hochfrequenter Datenströme mit minimaler Latenz direkt zwischen FPGAs, Prozessoren oder anderen Beschleunigern.

Durch die Unterstützung von I3C ist das Modul darüber hinaus in der Lage, moderne Sensoren für Fahrerassistenzsysteme und Umweltwahrnehmung effizient anzubinden. I3C bietet im direkten Vergleich gegenüber I2C eine höhere Bandbreite, geringere Latenzzeiten und erweiterte Funktionen zur Anbindung mehrerer Sensoren, wodurch insbesondere Anwendungen im Bereich der autonomen Fahrzeuge und KI-gestützten Fahrerassistenzsysteme (ADAS) profitieren.

Umfassende Sicherheitsarchitektur, optimale Abtastraten

Um den hohen Anforderungen an die funktionale Sicherheit und Cybersecurity gerecht zu werden, verfügt der S32Z2-Prozessor über eine dedizierte Hardware Security Engine (HSE), die sicherstellt, dass das Modul authentifiziert bootet, sodass nur signierte und geprüfte Firmware ausgeführt wird. Durch die Integration einer sicheren Boot-Chain ist das Modul vor manipulierten Software-Updates oder Cyberan-griffen auf das Steuergerät geschützt. Das ist insbesondere in Fahrzeugen von Bedeutung, die Over-the-Air-Updates (OTA) erhalten, da lediglich über eine verifizierte Signatur sichergestellt werden kann, dass ausschließlich autorisierte Software-Versionen aufgespielt werden.

Zusätzlich sorgt ein dedizierter Mikrocontroller für die Spannungsüberwachung, um das System zuverlässig gegen unerwartete Spannungsschwankungen oder fehlerhafte Stromversorgungen abzusichern. Diese Funktionalität erhöht die Betriebssicherheit in sicherheitskritischen Anwendungen und erfüllt zudem die Anforderungen der ISO 26262.

Auch hinsichtlich der Langzeitverfügbarkeit ist das System zukunftssicher ausgelegt. NXP garantiert eine langfristige Versorgungssicherheit der S32Z2-Prozessoren, sodass Automobilhersteller und Industriekunden ihre Anwendungen über viele Jahre hinweg stabil auf der Plattform weiterentwickeln können.

Für hochdynamische Steuer- und Regelprozesse spielt die Wahl der richtigen Abtastrate eine entscheidende Rolle. Eine zu niedrige Abtastrate führt zu Aliasing-Effekten, die Regelalgorithmen verfälschen und zu instabilen Steuerprozessen führen können. Dies ist besonders in Hochgeschwindigkeitsanwendungen bedeutend.

Als Beispiel für eine solche Applikation kann die Steuerung von Drohnen aufgeführt werden, die Geschwindigkeiten von rund 500 Knoten erreichen. Hierbei müssen die Sensoren mit einer erhöhten Grenzfrequenz arbeiten, um präzise Fluglagenkorrekturen in Echtzeit zu berechnen. Der DSP des S32Z2-Prozessors ermöglicht eine hocheffiziente Echtzeit-Signalverarbeitung, um Dateninterpolation und Rauschfilterung durchzuführen, womit sich die Steuer- und Regelgenauigkeit signifikant verbessert.

Safety & Security, Betriebssystemunabhängigkeit

Die Security-Architektur von Cetitec basiert auf einem strikten Ausschluss von Wildcards, sodass die Software ausschließlich validierte Botschaften verarbeitet. Alle Nachrichten sind in einer Sicherheitsmatrix mit definierten Zugriffsrechten, Nachrichtenlängen und Parametern hinterlegt und werden über einen gesicherten Prozess mit den Firmware-Containern übertragen. Das minimiert Manipulationsrisiken erheblich, da Angriffe nur bei einer vollständigen Kompromittierung der Update-Kette des Herstellers möglich wären.

Auch in puncto funktionale Sicherheit (Safety) erfüllt der Software-Entwickler mit der ISO 26262 höchste Standards. Sicherheitszertifizierte out-of-context Safety-Elemente, wie die Safetycore-Bausteine, ermöglichen die ASIL-konforme Integration sicherheitskritischer Funktionen und bieten eine flexible Lösung für anspruchsvolle Steuerungssysteme.

Ein wesentlicher Vorteil der Software ist ihre Betriebssystem-Agnostik. Durch die Post-Build-Konfigurierbarkeit können Entwickler systemkritische Eigenschaften anpassen, ohne den Quellcode neu zu kompilieren. Cetitec stellt hierfür eine entwicklerfreundliche Toolchain bereit, die eine flexible Konfiguration ermöglicht.

Die Software kann sowohl bare-metal als auch auf statischen Systemen, Linux oder POSIX betrieben werden, was sie breit skalierbar macht. Um den Übergang zwischen verschiedenen Betriebssystemen zu erleichtern, bietet der Hersteller zudem Middleware Frameworks, die eine nahtlose Kommunikation zwischen Linux, AUTOSAR und Bare Metal ermöglichen.

S32G und S32Z: Eine leistungsstarke Kombination

Neben dem S32Z2-Prozessor bietet Microsys die S32G-Plattformen von NXP an, die als Companion-Chip für spezifische Anwendungen nutzbar ist. Entwickler profitieren von einer ganzheitlichen, einheitlichen Architektur mit nur einem Chip-Hersteller, was die Systemintegration vereinfacht.

Während der S32G-Prozessor für Kommunikations- und Gateway-Funktionen optimiert ist, übernimmt der S32Z-Prozessor das Echtzeit-Controlling. Die Kombination ermöglicht eine effiziente Datenaggregation, -verteilung und -verarbeitung – gesteuert durch die enge Integration von Microsys und Cetitec.

In der Praxis zeigt sich oft, dass nicht alle Anwendungsfälle mit einem einzelnen Chip abzudecken sind, insbesondere wenn im Entwicklungsprozess neue Sensoren oder Steuerfunktionen hinzukommen. Durch ein Re-Design mit zusätzlicher Z-Controller-Integration lassen sich alle funktionalen Anforderungen flexibel und effizient umsetzen.  (sg)

* Jörg Stollfuß ist Field Application Engineer bei Microsys Electronics GmbH.

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