来源：芯驰科技SemiDrive
01.引言
当智能汽车以120km/h的速度疾驰时，每一毫秒的计算延迟都可能关乎生命安全。在理想汽车星环OS（HaloOS）的硬实时系统中，MCU芯片承担着整个系统的"神经中枢"角色——它必须在严格的时间约束内，精准完成从传感器数据采集、实时决策到执行器控制的全链路处理。
作为HaloOS 的智控首发平台和核心MCU供应商，芯驰科技的E3650芯片正是为这样的极致要求而生。今天，我们将揭秘E3650如何通过创新的性能与架构设计，为智能汽车的硬实时系统提供坚实的算力基础。
02.为什么智能汽车需要高性能MCU？
在传统汽车电子系统中，MCU主要处理相对简单的控制任务。但在智能汽车时代，系统复杂度呈指数级增长：
•多传感器融合
需要同时处理来自雷达、摄像头、超声波等多路传感器的实时数据。
• 复杂算法执行
从简单的PID控制升级到复杂的融合算法、决策逻辑和预测模型。
•严苛的实时性要求
在硬实时系统中，任何一个环节的延迟都可能导致系统失效。
03.E3650的多核异构架构：为实时而生
3.1 架构总览
E3650采用业界领先的多核异构架构，针对不同的实时需求进行了精心设计：
高性能Cortex-R52+主核
•高算力强实时R52+集群，行业同等级最高主频600MHz
•支持锁步模式（Lockstep），满足ASIL-D功能安全要求
•专为实时控制优化，中断响应延迟低至纳秒级
多功能Cortex-R5辅助核心
•超强算力信息安全CPU，吞吐率倍数于竞品的硬件加速器，硬件支持国密算法
•低功耗CPU，极致的运行/静态功耗，支持丰富的唤醒源
硬件加速单元
•SSDPE硬件通信引擎，CAN/CANFD转发不占用CPU
•双路GBit以太网（TSN），支持硬件环网架构，可节省Switch芯片
3.2 实时性能指标
基于E3650的架构特性，在HaloOS的实际应用中，我们测得以下关键性能指标：
04.内存架构：消除性能瓶颈
再强的 CPU，如果没有高效的内存系统支撑，也会成为"巧妇难为无米之炊"。E3650在内存架构上做了精心设计。
4.1 TCM（紧耦合内存）
紧耦合内存（TCM，Tightly Coupled Memory）是E3650实时性能的第一道保障。
核心特性
•每核独享128KB
避免总线竞争，访问延迟为零等待周期（2个多功能核各自具有 64KB TCM）；
• 直连CPU核心
物理位置紧邻处理器，数据路径最短；
•无缓存干扰
不经过Cache，访问时间100%确定；
典型应用场景
在HaloOS中，可将所有ASIL-D级别的控制代码和中断向量表都部署在TCM中，确保最坏情况执行时间（WCET）的绝对可预测性。
4.2 IRAM：片上"高速公路网"
片上SRAM （IRAM）是E3650的第二层内存体系，提供了大容量的的高速存储空间。E3650的IRAM控制器支持ECC功能，可工作在两种模式：
模式一：ECC使能（安全优先）：
•数据 RAM + ECC RAM：采用（64，8）汉明码；
•单比特纠错+双比特检测（SECDED）；
•每 64 位数据 RAM 配备 8 位 ECC RAM，总计提供额外的 1/8 空间用于ECC；
•适用场景：功能安全要求高的关键数据存储；
模式二：ECC禁用（容量优先）
•纯数据存储：ECC RAM空间可转为数据RAM使用，提供额外的存储空间；
•适用场景：对容量需求大、安全等级要求相对较低的应用；
4.3 CRAM：权限管理的"智能网关"
在汽车芯片领域，谈到片上存储，大家最熟悉的莫过于上述的 IRAM（Internal RAM）。但芯驰E3650采用的CRAM（Coherency RAM）却远不止是一块简单的内存，它更像是一位智能管家，不仅提供存储空间，还负责数据安全、访问控制和错误防护。
传统MCU的IRAM就像一个"公共仓库"：任何有权限的模块都能随意读写，没有区域划分，也缺乏数据保护机制。这在功能安全要求日益严苛的汽车电子领域，已经难以满足需求。
芯驰E3650的CRAM则完全不同。它在保留高性能直接访问特性的同时，引入了安全管控能力，让片上存储真正成为系统安全架构的一部分。
优势一：分区管理
CRAM 支持将内存划分为8个独立区域，每个区域都有独立的起止地址和访问权限配置。这就像把一个大仓库改造成了带门禁的分区储藏室，在一颗运行AUTOSAR的汽车ECU中，您可以这样规划：
•区域0-1：存放安全域的关键算法和密钥，仅允许安全核心读写
•区域2-3：存放应用层的实时数据缓冲，允许应用核心访问
•区域4-5：诊断数据区，允许诊断服务读取但禁止写入
•区域6-7：预留给OTA升级临时数据
优势二：多维权限控制
CRAM引入了4级权限体系：
•安全域（SEC） vs 非安全域（NSE）
•特权模式（PRI） vs 用户模式（USER）
每个区域的访问权限可以独立配置为：禁止访问、只写、只读、读写四种模式。CRAM区域规划示例如下，这种设计确保了即使座舱系统的某个第三方App存在漏洞，也无法窃取ADAS系统的传感器数据或篡改安全核心的密钥。
4.4 片上非易失性存储 eNVM
芯驰E3650集成专为车规级应用设计的高性能非易失性存储解决方案，提供了16.5MB的非易失存储能力。支持双区架构及 A/B 分区启动、安全启动等关键特性，HaloOS可轻松应用E3650实现安全的OTA升级。
ECC错误保护：
•支持ECC检错机制和记录错误地址；
•对于可纠正的ECC错误，硬件自动重试读取直到数据正确或达到最大重试次数；
•重试次数可配置，并提供重试成功计数器；
HSM安全镜像区域：
•专为硬件安全模块(HSM)预留高安全镜像区域；
•支持HSM密钥区域保护，仅允许HSM读取或HSM核心在特定信号下写入；
4.5 IRAM_LP：低功耗域的"守夜人"
相比通用的 IRAM，IRAM_LP 不仅在低功耗模式下可用，更可提供灵活的容量禁用机制，可实现分级功耗控制，支持用户实现分场景功耗策略，运行模式全开，待机模式部分禁用，深度睡眠大幅禁用。
•000: 128KB全开启（高性能模式）
•001: 禁用16KB，保留112KB（性能优先）
•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，仅保留16KB（极致省电）
4.6外部XSPI接口（扩展串行外设接口）
E3650集成了业界领先的XSPI（扩展串行外设接口）控制器，为系统提供灵活高效的外部存储扩展能力。XSPI是Hyperbus接口的超集，支持Hyperflash和HyperRAM设备访问，同时兼容标准的SPI Flash设备。
核心特性：
•多通道架构
支持双通道1/4/8位数据线SPI flash和HyperRAM，每通道支持2个片选引脚，可同时连接多个存储设备
• 高带宽支持
支持8位数据线flash和HyperRAM，提供更高的数据吞吐率
•灵活的数据率
支持SDR（单倍数据率）和DDR（双倍数据率）模式，适应不同性能需求
•XIP模式
支持XIP（就地执行）模式，CPU可直接从外部Flash执行代码，无需先加载到RAM
高级特性
•智能预取机制
支持数据预取，多个专用主组（Master Group）和1个共享组，大幅提升连续访问性能
• 内联AES128加密
支持内联AES128保护，在数据传输过程中实时加解密，确保存储数据安全
•加密密钥管理
内置加密密钥管理功能，支持多个密钥存储和管理，满足功能安全要求
•主从通信模式
支持主从通信模式，可实现XSPI控制器之间的互联
典型应用场景
•外设扩展
可搭配芯驰 E3010 扩展芯片，灵活拓展 SPI、PWM捕获、PWM输出、ADC等多种数字、模拟接口
• 启动代码存储
将启动代码存储在外部Flash，支持XIP直接执行，节省宝贵的片上存储资源
•固件更新存储
存储备用固件和配置数据，支持安全的在线升级
•日志记录存储
利用大容量外部存储记录系统运行日志和诊断数据
通过智能预取和缓存管理，XSPI接口可以有效降低外部存储访问延迟，提升系统整体性能。在DDR模式下，配合8位数据宽度，可以达到极高的数据传输速率，满足实时系统对外部存储的苛刻要求。
4.7 确定性内存访问
在硬实时系统中，内存访问的确定性比平均性能更重要。E3650通过以上硬件机制保证：
•独占访问路径
TCM可设置为每核独占，避免总线竞争；
• 优先级仲裁
内存总线支持优先级，高优先级任务优先访问；
•缓存锁定
关键代码可锁定在缓存中，避免不确定的缓存miss；
这些设计确保了在最坏情况下，内存访问延迟依然可控，满足硬实时分析的要求。
05.总结与预告
E3650的高性能多核架构为HaloOS的硬实时系统提供了坚实的算力基础：
• 多核高算力：强大且确定的实时计算能力
• 硬件调度支持：极低开销的任务切换和优先级管理
• 多层次内存：消除内存瓶颈，确保访问确定性
性能只是芯片的一个维度。在下一期文章中，我们将深入探讨E3650如何通过功能安全设计和冗余机制，确保即使在极端故障情况下，系统依然能够安全可控。
在汽车电子领域，安全永远是第一位的。敬请期待！
关于芯驰
芯驰科技是全场景智能车芯引领者，专注于提供高性能、高可靠的车规芯片，覆盖智能座舱和智能车控领域，涵盖了未来汽车电子电气架构最核心的芯片类别。
芯驰拥有超200个定点项目，服务260余家客户，覆盖国内90%以上主机厂及多家国际主流车企，包括上汽、奇瑞、长安、东风、一汽、日产、本田、大众、理想等。目前，芯驰全系列芯片均已量产，累计出货量突破900万片，搭载于130余款主流车型。
五大认证 放芯驰骋
·德国莱茵TÜV ISO 26262 ASIL D功能安全管理体系认证
·AEC-Q100 Grade 1/Grade 2可靠性认证
·德国莱茵TÜV ISO 26262 ASIL B/D 功能安全产品认证
·德国莱茵TÜV ISO/SAE 21434汽车网络安全管理体系认证
·工商总局、国家密码管理局国密信息安全双认证
