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 T Ü V 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 T Ü V ISO 26262 ASIL B/D 功能安全产品认证

· 德国莱茵 T Ü V 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