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Multi-Core-MCUs

Wie sich die Stromaufnahme im Automobil senken lässt

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Für die jüngste MCU-Generation für das Karosserieelektroniksegment wurde der Standby-Modus eingeführt. Dadurch entstand ein Zwang zu einem anderen Denkansatz: nun mussten alle Optionen, die für die Leistungsreduktion zur Verfügung stehen, umgesetzt werden, Applikationsentwickler mussten spezielle RAM-basierte Routinen realisieren, um die geringst mögliche Stromaufnahme zu erreichen. Aber die Industrie kann mit den Herausforderungen rund um die Stromaufnahme Schritt halten, vorausgesetzt, die Entwickler der Hardwarearchitektur und die Softwareentwickler pflegen eine enge Zusammenarbeit im Sinne optimaler Ergebnisse.

LPU ermöglicht Wahl zwischen mehreren Betriebsarten

Bild 7: Die hier dargestellte LPU erlaubt dem Applikationsentwickler die Wahl zwischen mehreren neuen wie auch den althergebrachten Betriebsarten.
Bild 7: Die hier dargestellte LPU erlaubt dem Applikationsentwickler die Wahl zwischen mehreren neuen wie auch den althergebrachten Betriebsarten.
(Bild: Freescale)
Eine LPU (Low Power Unit) kann überall dort ein echtes Differenzierungsmerkmal für ein Produkt sein, wo nicht ständig volle Rechenleistung gefordert wird. Man versteht darunter einen aggressiven Ansatz für den Betrieb des Bausteins, wobei große Teile völlig abgeschaltet werden, die volle Funktion eines Prozessorkerns aber aufrecht erhalten bleibt. Die in Bild 7 dargestellte LPU erlaubt dem Applikationsentwickler die Wahl zwischen mehreren neuen wie auch den althergebrachten Betriebsarten:

  • Run: Volle Unterstützung für maximale Leistung. alle Module aktiviert
  • Stop: Der Zustand aller Peripheriefunktionen wird erhalten, Rechenkerne versorgt, Zustand erhalten, aber Takt deaktiviert
  • LPU_run, LPU_stop – small micro system: Ausführung mit reduzierter Taktfrequenz, Subset an Funktionalität – CAN, LIN, SPI, ADC, Timer usw. aktiv (große Teile des SoC inaktiv und Versorgung deaktiviert, z.B. Rechenkerne, Flashspeicher, PLL usw.)
  • Standby: Muss 8 bis 256 K des System-RAMs unterstützen, Unterstützung für Wake-up-Logik, API (Autonomous Periodic Interrupt), RTC (Real-Time Clock), Oszillatoren, Analogkomparator-Subsystem

Eine ganze Reihe von Anwendungsprofilen in der Karosserieelektronik erfordert lediglich eine periodische Abfrage der Eingangs-Pins. Im traditionellen Ansatz kann man das nur realisieren, indem der Baustein in den ‚Full Run‘-Modus gebracht wird. Verbindet man aber mehrere Analogkomponenten auf intelligente Art und Weise mit einem auf dem Chip integrierten Timer, so kann diese Funktionalität voll und ganz im Standby-Modus realisiert werden. Mit einem solchen revolutionären Ansatz kann man einen extrem niedrigen Stromverbrauch erzwingen.

Bild 8: Eine typische Anwendung setzt die periodische Abfrage mehrerer Analogeingänge voraus. Wie hier zu sehen, erreicht man eine geradlinige Implementierung mit Hilfe eines zusätzlichen Analogkomparators und seiner einzigartigen Möglichkeit, ihn mit einer unabhängigen Analogreferenzspannung zu betreiben
Bild 8: Eine typische Anwendung setzt die periodische Abfrage mehrerer Analogeingänge voraus. Wie hier zu sehen, erreicht man eine geradlinige Implementierung mit Hilfe eines zusätzlichen Analogkomparators und seiner einzigartigen Möglichkeit, ihn mit einer unabhängigen Analogreferenzspannung zu betreiben
(Bild: Freescale)
Eine typische Anwendung setzt die periodische Abfrage mehrerer Analogeingänge voraus. Wie in Bild 8 gezeigt, erreicht man eine geradlinige Implementierung mit Hilfe eines zusätzlichen Analogkomparators und seiner einzigartigen Möglichkeit, ihn mit einer unabhängigen Analogreferenzspannung zu betreiben.

Wie sich der Energieverbrauch im Netzwerk reduzieren lässt

Traditionell würde man das gesamte Fahrzeugnetzwerk versorgen und aktivieren, wann immer die Zündung eingeschaltet wird – aber es gibt Beispiele zur Genüge, wo dies nicht erforderlich ist. Beispielsweise können während der Fahrt einige Funktionen wie die Sitzverstellung, die Rückfahrsensoren usw. in ihrer Funktion eingeschränkt werden. Auf Netzwerkebene kommen für die Reduktion der Stromaufnahme drei Techniken in Betracht – Partial Network, Pretended Network und ECU Degradation.

Bild 9: Ein Partial Network erlaubt die komplette Abschaltung einer ECU völlig unabhängig von den anderen ECUs im Netzwerk. Im unteren Abschnitt des Bildes wird diese Methodik gezeigt. Der Transceiver auf der ECU wacht bei einem speziellen Busbefehl auf.
Bild 9: Ein Partial Network erlaubt die komplette Abschaltung einer ECU völlig unabhängig von den anderen ECUs im Netzwerk. Im unteren Abschnitt des Bildes wird diese Methodik gezeigt. Der Transceiver auf der ECU wacht bei einem speziellen Busbefehl auf.
(Bild: Freescale)
Ein Partial Network erlaubt die komplette Abschaltung einer ECU völlig unabhängig von den anderen ECUs im Netzwerk. Im unteren Abschnitt von Bild 9 wird diese Methodik gezeigt. Der Transceiver auf der ECU wacht bei einem speziellen Busbefehl auf.

Beim Pretended Networking-Konzept erkennen Elemente des Netzwerks, dass sich der Aktivitätspegel deutlich verringert hat. Wurde diese Entscheidung gefällt, so fährt sich die ECU selbständig in einen Stromsparmodus, wobei die MCU in den Standby-Modus geht. Aber durch den intelligenten Transceiver wird vorgegaukelt, dass sie immer noch im Netzwerk präsent ist. Sobald die ECU adressiert wird, wird die MCU schnell wieder in den voll aktiven Betrieb zurückgeholt.

Ergänzendes zum Thema
Stromspartipps im Auto auf einen Blick

Angesichts von immer höherem Komfort, Sicherheit, Effizienz und Funktionsvielfalt im Auto müssen die Autohersteller und ihre Elektronikzulieferer mit widersprüchlichen Forderungen nach einer höheren Komplexität bei weniger Stromverbrauch, Gewicht und letztendlich Kraftstoffverbrauch Schritt halten. Um den vermehrten Leistungshunger und den damit verbundenen Anteil am Kraftstoffverbrauch in den Griff zu bekommen, bedient man sich dreier Strategien:

  • Man reduziert die Anzahl der ECUs im Auto, indem man mehrere Applikationen auf neuen Multi-Core-MCUs mit höherem Integrationsgrad, höherer Rechenleistung und umfangreicheren Kommunikationsoptionen laufen lässt, gleichzeitig aber die Applikationen voneinander abschirmt.
  • Man reduziert den Stromverbrauch der MCU mit Hilfe von innovativen Stromsparmodi bei den Funktionen und - bei inaktiver MCU - einer Signalüberwachungsfunktion.
  • Man wendet Stromspartechniken auf Netzwerkebene an wie die selektive Aktivierung von ECU und MCU-Funktionen.

Im ECU Degradation-Modus ist die ultimative Flexibilität der MCU gefordert – die Rechenleistung wird auf die herrschende Nachfrage eingestellt, Rechenkerne und Peripheriemodule können deaktiviert werden, und der Stromverbrauch wird mit Techniken wie Spannungs- und Frequenzskalierung minimiert.

* Andy Birnie arbeitet bei Freescale als Systems Engineering Manager für Automotive-MCUs.

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