[논문]주차 보조 시스템을 위한 ECU 설계

최진혁; 이성수

doi:10.7471/ikeee.2020.24.4.1172

주차 보조 시스템을 위한 ECU 설계
Design of Electronic Control Unit for Parking Assist System 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.4, 2020년, pp.1172 - 1175

최진혁 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) , 이성수 (School of Electronic Engineering, Soongsil University)

초록
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차량에 사용되는 ECU에는 CPU 코어, 차량통신 콘트롤러, 메모리 인터페이스, 센서 인터페이스, I/O 인터페이스 등이 집적되어 있다. 현재 사용되는 차량용 ECU는 대부분 자사만의 독점적 프로세서 아키텍쳐로 개발하였으나, 최근 자율주행자동차 및 커넥티드카에서 소프트웨어 범용성을 위해 ARM, RISC-V와 같은 표준 프로세서를 기반으로 한 차량용 ECU의 수요가 급증하고 있다. 본 논문에서는 명령어 집합이 무료로 공개된 RISC-V를 기반으로 하여 주차 보조 시스템에 사용하기 위한 차량용 ECU를 설계하였다. 개발된 ECU는 32b RISC-V CPU 코어, CAN, LIN 등의 IVN 콘트롤러, ROM, SRAM 등의 메모리 인터페이스, SPI, UART, I2C 등의 I/O 인터페이스를 내장하였다. 65nm CMOS 공정에서 구현한 결과는 동작 주파수 50MHz, 면적 0.37㎟, 게이트 수 55,310개였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Automotive ECU integrates CPU core, IVN controller, memory interface, sensor interface, I/O interface, and so on. Current automotive ECUs are often developed with proprietary processor architectures. However, demends for standard processors such as ARM and RISC-V increase rapidly for saftware compatibility in autonomous vehicles and connected cars. In this paper, an automotive ECU is designed for parking assist system based on RISC-V with open instruction set architecture. It includes 32b RISC-V CPU core, IVN controllers such as CAN and LIN, memory interfaces such as ROM and SRAM, and I/O interfaces such as SPI, UART, and I2C. Fabricated in 65nm CMOS technology, its operating frequency, area, and gate count are 50MHz, 0.37㎟, and 55,310 gates, respectively.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Architecture of the automotive ECU based on RISC-V in this paper 그림 1. 본 논문에서 구현한 RISC-V 기반 차량용 ECU 아키텍쳐
표 Table 1. Performance comparison between RISC-V and ARM[4]. 표 1. RISC-V와 ARM의 성능 비교[4]
그림 Fig. 2. Test scenario 1: Data transmission between 3 CAN nodes on CAN bus. 그림 2. 테스트 시나리오 1: CAN 버스에 연결된 3개의 CAN 노드까리 데이터를 전송하는 과정
그림 Fig. 3. Test scenario 2: Data transmission between 4 CAN nodes on CAN bus. 그림 3. 테스트 시나리오 2: CAN 버스에 연결된 4개의 CAN 노드까리 데이터를 전송하는 과정
그림 Fig. 4. Simulation results of test scenario 1. 그림 4. 테스트 시나리오 1의 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 5. Simulation results of test scenario 2. 그림 5. 테스트 시나리오 2의 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 6. Timing verification results of the ECU chip. 그림 6. ECU 칩의 타이밍 검증 결과
그림 Fig. 7. Layout of the ECU chip. 그림 7. ECU 칩의 레이아웃

AI 본문요약
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문제 정의

본논문에서는RISC-V를기반으로한차량용ECU 를설계하였다.개발된ECU는32bRISC-VCPU코 어, CAN, LIN등의차량통신콘트롤러, ROM, SRAM 등의메모리인터페이스, SPI, UART, I2C등의I/O 인터페이스를내장하였다.

제안 방법

그림6 은차량용ECU칩의타이밍검증결과이며, IDEC 에서제공한Primetime을이용하여50MHz기준으로 20ns가 넘지 않도록 타이밍을 검증하였다. Back-End Desing 과정에서는 공정사로부터 제공받은 Standard Cell과 I/O Cell을 배치하는 과정으로, IDEC에서제공한ICCompiler툴을사용하여파워 및 그라운드 라인을 배치하고 DRC (Design Rule Check) 및 LVS(Layout Versus Schematic) 만족 여부를 검증하였다.그림 7은설계한차량용 ECU 칩의최종레이아웃으로, 동작주파수, 칩면적, 게이트 수는 각각 50MHz, 0.
본 논문에서는 RISC 구조를 가지는 CPU 중에서 ARM에 비해 아키텍쳐 및 명령어 집합이 무료로 공개되어있고 표1과 같이 면적, 전력, data-checked="false">성능이우수한RISC-V를사용하였다[4].RISC-V코 어는32비트또는64비트중에서선택이가능한데, AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스로연결할다른IP와의호환성을위해32비트 코어인RISC-VE20CPU[5]를선택하였다.
data-checked="false">설계된ECU를검증하기위해서CAN통신프로토콜을이용하여2개의테스트시나리오를구성하 였다.첫번째테스트시나리오는그림2와같이버 스 상에 3개의 CAN노드 A, B, data-checked="false">C가연결되어있을때①과같이RISC-V의SRAM영역에저장한 4개의 32비트데이터를 CAN 노드 A가노드 B로 전송하고 ②와 같이 전송을 마친 후 일정 시간을 대기하였다가③과같이다시노드 data-checked="false">A가노드C에게다른8개의32비트데이터를전송하는시나리오 이다.
본논문에서는RISC-V를기반으로한차량용ECU 를설계하였다.개발된ECU는32bRISC-VCPU코 어, CAN, LIN등의차량통신콘트롤러, ROM, SRAM 등의메모리인터페이스, SPI, UART, I2C등의I/O 인터페이스를내장하였다.65nmCMOS공정에서구 현한결과는동작주파수50MHz, 면적0.
첫번째테스트시나리오는그림2와같이버 스 상에 3개의 CAN노드 A, B, data-checked="false">C가연결되어있을때①과같이RISC-V의SRAM영역에저장한 4개의 32비트데이터를 CAN 노드 A가노드 B로 전송하고 ②와 같이 전송을 마친 후 일정 시간을 대기하였다가③과같이다시노드 data-checked="false">A가노드C에게다른8개의32비트데이터를전송하는시나리오 이다.두번째테스트시나리오는그림3과같이4개 의 CAN 노드가 버스에 연결되어 노드 C가 CAN ID0×63을받았을때①과같이노드 C가가지고있던8개의 32비트데이터값을송신하고②와같이 노드 A와노드 D가수신받는시나리오이다. 본논문에서설계한차량용ECU는RISC-V를기반 으로 Verilog HDL을 이용하여 구현하였으며, IDEC (ICDesignEducationCenter)에서제공한ModelSim 을이용하여시뮬레이션을진행하였다.
버스브릿지를 이용하여 AMBA AHB(AdvancedHigh-PerformanceBus)버스및AMBA APB(AdvancedPeripheralBus)버스와연결이가 능하며, 통신프로토콜중LINeLIN2.2A표준을, CANeCAN 2.0A와CAN 2.0B를 모두 만족하도록 설계하였다.
본 논문에서는 RISC 구조를 가지는 CPU 중에서 ARM에 비해 아키텍쳐 및 명령어 집합이 무료로 공개되어있고 표1과 같이 면적, 전력, data-checked="false">성능이우수한RISC-V를사용하였다[4].RISC-V코 어는32비트또는64비트중에서선택이가능한데, AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스로연결할다른IP와의호환성을위해32비트 코어인RISC-VE20CPU[5]를선택하였다.
특히RISC-V의경우ARM과는 달리 명령어 집합(ISA:instruction set architecture) 이오픈소스로공개되어있을뿐만아니라성능측 면에서도 상용화에 충분하도록 높은 수준의 data-checked="false">사양을갖추어서많은반도체회사들이사용하고있다. 본 논문에서는 RISC-V CPU 코어를 data-checked="false">기반으로주차보조시스템에사용하기위한차량용ECU를 설계하고VerilogHDL을이용하여구현하였다.또 한 65nmCMOS공정으로제작하였다.
본논문에서는32bRISC-VCPU코어를기반으로 차량통신콘트롤러, 메모리인터페이스, data-checked="false">I/O인터페이스등을내장한차량용ECU를그림1과같 은아키텍쳐로설계하였다.
두번째테스트시나리오는그림3과같이4개 의 CAN 노드가 버스에 연결되어 노드 C가 CAN ID0×63을받았을때①과같이노드 C가가지고있던8개의 32비트데이터값을송신하고②와같이 노드 A와노드 D가수신받는시나리오이다. 본논문에서설계한차량용ECU는RISC-V를기반 으로 Verilog HDL을 이용하여 구현하였으며, IDEC (ICDesignEducationCenter)에서제공한ModelSim 을이용하여시뮬레이션을진행하였다.그림4와그림 5는 각각 그림 2와 그림 3의테스트시나리오에대한 시뮬레이션 결과이며, 테스트 시나리오대로 전 송이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
트웨어도해당제조사만을따라갈수밖에없다.최근 자율주행자동차및커넥티드카에서소프트웨어개발 및 호환성 문제로 인해 ARM[1], RISC-V[2][3] 등사 실상 표준(De Facto Standard)인 CPU(Central ProcessingUnit)의수요가급격히늘고있으며, data-checked="false">이에따라많은반도체회사들이자사가기존에보유 하고 있던 ARM, RISC-V CPU 코어에 각종주변 IP(IntellectualProperty)를결합하여차량용ECU를 개발하기시작하였다.특히RISC-V의경우ARM과는 달리 명령어 집합(ISA:instruction set architecture) 이오픈소스로공개되어있을뿐만아니라성능측 면에서도 상용화에 충분하도록 높은 수준의 data-checked="false">사양을갖추어서많은반도체회사들이사용하고있다.

대상 데이터

한다. 본 논문에서는 LIN(Local Interconnect Network) [6][7], CAN(ControllerAreaNetwork) [8]-[10] 등의차량통신 콘트롤러, ROM, SRAM 등의 메모리 인터페이스, SPI(SerialPeripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), I2C(Inter-IntegratedCircuit)등의I/O인터페이스 를 내장하였다.
본논문에서설계한주차보조시스템용차량용 ECU를65nmCMOS공정을사용하여검증하였다. Front-End Design 단계에서는 주로 칩의 data-checked="false">동작을위한타이밍부분을중점적으로검증하였다.
였다.첫번째테스트시나리오는그림2와같이버 스 상에 3개의 CAN노드 A, B, data-checked="false">C가연결되어있을때①과같이RISC-V의SRAM영역에저장한 4개의 32비트데이터를 CAN 노드 A가노드 B로 전송하고 ②와 같이 전송을 마친 후 일정 시간을 대기하였다가③과같이다시노드 data-checked="false">A가노드C에게다른8개의32비트데이터를전송하는시나리오 이다.두번째테스트시나리오는그림3과같이4개 의 CAN 노드가 버스에 연결되어 노드 C가 CAN ID0×63을받았을때①과같이노드 C가가지고있던8개의 32비트데이터값을송신하고②와같이 노드 A와노드 D가수신받는시나리오이다.

참고문헌 (10)

ARM, "ARM Solutions Automotive," https://www.arm.com/solutions/automotive
RISC-V Foundation, "Vol.1, Unprivileged Spec v.20191213," https://riscv.org/technical/ specifications
RISC-V Foundation, "Volume 2, Privileged Spec v.20190608," https://riscv.org/technical/ specifications
Y. Lee et al, "Raven: A 28nm RISC-V vector processor with integrated switched-capacitor DC-DC converters and adaptive clocking," Proceedings of IEEE Hot Chips Symposium, pp.1-45, 2015. DOI: 10.1109/HOTCHIPS.2015.7477469
Sifive, "E20 Core Complex Manual," https://www.sifive.com/documentation
ISO 17987-1:2016, "Road vehicles-Local Interconnect Network (LIN)-Part 1: General information and use case definition," https://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber61222
J. Lee and S. Lee "Design and Verification of Automotive LIN Controller," J.inst.Korean. electr. elctron.eng., vol.20, no.3, pp.333-336, 2016. DOI: 10.7471/ikeee.2016.20.3.333

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ISO 11898-1:2015, "Road Vehicles-Controller Area Network (CAN)-Part 1: Data Link Layer and Physical Signalling," https://www.iso.org/standard/63648.html
J. Lee and S. Lee "Design and Verification of Automotive CAN Controller," J.inst.Korean. electr. elctron.eng., vol.21, no.2, pp.162-165, 2017. DOI: 10.7471/ikeee.2017.21.2.162

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J. Lee and S. Lee "Implementation and Verification of Automotive CAN-FD Controller," J.inst.Korean.electr.elctron.eng., vol.21, no.3, pp. 240-243, 2017. DOI: 10.7471/ikeee.2017.21.3.240

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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