中央計(jì)算單元架構(gòu)簡(jiǎn)介

中央計(jì)算單元架構(gòu)已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)，各主機(jī)廠都正努力在將其中央計(jì)算單元架構(gòu)落地。

然而在將硬件、操作系統(tǒng)、中間件、管理程序、應(yīng)用程序等集成到計(jì)算單元，還需要滿(mǎn)足功能安全要求，這是一項(xiàng)耗時(shí)、復(fù)雜且容易出錯(cuò)，且非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

下圖描述了系統(tǒng)架構(gòu)師進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的方面，包括任務(wù)在不同核心的分析、調(diào)度分配，不同應(yīng)用中的交互，同時(shí)還要考慮配置參數(shù)、系統(tǒng)的安全和非安全要求以及優(yōu)化目標(biāo)。此外，由于大型操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用程序的不可預(yù)測(cè)行為，系統(tǒng)架構(gòu)師必須在部署后解決方案后，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)際場(chǎng)景的驗(yàn)證是否滿(mǎn)足要求。

▲圖1架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的方面

接下來(lái)闡述考慮各種優(yōu)化目標(biāo)的多核處理器中動(dòng)態(tài)和靜態(tài)任務(wù)映射的方法，以及當(dāng)前軟件集成的技術(shù)和方法，包括模型分析、配置、模型檢查和任務(wù)映射。

01.多核芯片的任務(wù)映射

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和用戶(hù)需求，多核體系架構(gòu)分為同構(gòu)和異構(gòu)兩種，同構(gòu)多核芯片是該芯片內(nèi)的所有內(nèi)核都相同，即這都具有相似的計(jì)算能力和指令集體系架構(gòu)。而異構(gòu)體系架構(gòu)是不同內(nèi)核集成到一個(gè)芯片中。例如提供高性能且低功耗的核心，通常采用的是異構(gòu)。就任務(wù)映射而言，同構(gòu)處理器比異構(gòu)的工作量更少，不需要基于不同核的屬性來(lái)確認(rèn)任務(wù)的分配。

多核中的任務(wù)分配可以有兩種，一種是靜態(tài)的，也就是在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)任務(wù)運(yùn)行在哪個(gè)核心就已經(jīng)確定了，另外一種是動(dòng)態(tài)的分配，根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載、運(yùn)行場(chǎng)景等。

那不管是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)任務(wù)映射，如何設(shè)計(jì)一種合適的映射方案呢？首先前提是現(xiàn)有的硬件、以及性能參數(shù)要求，包括負(fù)載率、溫度、可靠性等，對(duì)于靜態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用圖論算法、數(shù)學(xué)規(guī)劃算法或者是基于啟發(fā)式的算法，例如數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，將需求轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)不等式。然后通過(guò)使用不同的數(shù)學(xué)規(guī)劃來(lái)解不等式，包括混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃、分支和邊界、約束規(guī)劃和整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃。在數(shù)學(xué)規(guī)劃方法中，只要映射問(wèn)題的復(fù)雜性不變?yōu)镹P，就始終保證最優(yōu)解。在NP問(wèn)題的情況下，可以使用基于啟發(fā)式的算法。對(duì)于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用貪婪算法或者是反饋控制理論算法等。

02.架構(gòu)設(shè)計(jì)工具分析

下面主要聊一聊嵌入式系統(tǒng)中現(xiàn)有的軟件集成技術(shù)，包括嵌入式系統(tǒng)的模型分析、基于需求的模型檢驗(yàn)和驗(yàn)證。此外，每個(gè)技術(shù)都是基于問(wèn)題屬性和各種設(shè)計(jì)指標(biāo)、DSE方法、優(yōu)化算法以及安全相關(guān)和優(yōu)化屬性進(jìn)行分析的。

OSATE（開(kāi)源 AADL 工具環(huán)境）：這是一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)源工具，它使用語(yǔ)法感知文本編輯器和同步圖形編輯器創(chuàng)建 AADL（架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)語(yǔ)言）模型（如下圖）。OSATE 是一個(gè)基于 Eclipse 的工具，包含使用 AADL 語(yǔ)言的航空航天和汽車(chē)系統(tǒng)的建模元素。

▲圖2將AADL文本編輯器（a）轉(zhuǎn)換為OSATE框架中的同步圖形編輯器（b）

AADL是一種建模語(yǔ)言，通過(guò)可擴(kuò)展符號(hào)、工具框架和精確指定的語(yǔ)義，支持對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵的性能屬性進(jìn)行早期和反復(fù)的分析，例如數(shù)據(jù)流分析，任務(wù)映射分析。該語(yǔ)言利用形式化的建模概念來(lái)描述和分析應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的不同組件及其交互。包括軟件（例如，進(jìn)程和線(xiàn)程）、計(jì)算硬件（例如，處理器、總線(xiàn)、設(shè)備和存儲(chǔ)器）和系統(tǒng)組件的抽象。AADL對(duì)于復(fù)雜實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)基于模型的分析特別有效。

通過(guò)使用 OSATE 工具，用戶(hù)可以對(duì)包括硬件和軟件(應(yīng)用程序級(jí)別)在內(nèi)的系統(tǒng)（例如 ADAS 系統(tǒng)）進(jìn)行建模，例如，可以對(duì)用于每個(gè)應(yīng)用程序的線(xiàn)程進(jìn)行建模，包括線(xiàn)程的周期、計(jì)算執(zhí)行時(shí)間、每秒百萬(wàn)指令 (MIPS) 預(yù)算和參考處理器。OSATE 根據(jù)與 AADL 文本語(yǔ)法規(guī)則以及每個(gè)指定組件的屬性定義中的違規(guī)來(lái)檢查用戶(hù)創(chuàng)建的模型。

此外，可以使用該框架執(zhí)行各種模型分析，該框架包括流延遲檢查，包括端到端流延遲計(jì)算、調(diào)度分析（例如調(diào)度綁定線(xiàn)程，即處理器利用率報(bào)告、綁定和調(diào)度線(xiàn)程，即線(xiàn)程綁定報(bào)告，并對(duì)單調(diào)優(yōu)先級(jí)分配進(jìn)行評(píng)分），預(yù)算分析（包括分析總線(xiàn)負(fù)載，電力需求，資源分配，計(jì)算機(jī)資源預(yù)算，計(jì)算總權(quán)重），安全分析包括故障樹(shù)分析（FTA），功能危險(xiǎn)評(píng)估（FHA） )、故障影響分析、故障模式影響分析 (FMEA) 以及檢查未處理的故障。

此外，可以使用該框架執(zhí)行各種語(yǔ)義檢查或功能集成分析，例如檢查綁定約束、連接綁定一致性、端口連接一致性等。此外，該工具具有利用各種插件(例如 Ocarina 和能夠?qū)⒛Ｐ蛷?MATLAB 和 Simulink 導(dǎo)入 OSATE)。但是OSATE不支持任何DSE方法，例如解決多核汽車(chē)計(jì)算單元的映射問(wèn)題。

ArcheOpterix：如前所述，尋找可接受的架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于軟件和系統(tǒng)架構(gòu)師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，要考慮架構(gòu)設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量和功能需求。ArcheOpterix 是一個(gè)基于 Eclipse 的開(kāi)源工具，它有助于使用評(píng)估技術(shù)、DSE 方法和針對(duì) AADL 規(guī)范的優(yōu)化啟發(fā)式方法來(lái)簡(jiǎn)化任務(wù)。該框架支持軟件組件的建模以及軟件組件、ECU、總線(xiàn)和服務(wù)之間的通信。

此外，考慮到設(shè)計(jì)約束和優(yōu)化目標(biāo)，包括冗余分配和成本，該工具可以?xún)?yōu)化軟件組件到 ECU 的部署。該工具可以指定與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的不確定信息，因此可以搜索最佳和穩(wěn)健的候選架構(gòu)，下圖展示了ArcheOpterix的頂層框架。

▲圖3ArcheOpterix的頂層框架

然而，該工具在汽車(chē)平臺(tái)上使用也存在一些限制。首先框架已經(jīng)過(guò)時(shí)，沒(méi)有很好的文檔可供使用。它不支持任務(wù)映射分析和解決多核架構(gòu)的映射問(wèn)題，也不關(guān)注汽車(chē)應(yīng)用的多核計(jì)算平臺(tái)。此外該工具不包括ISO 26262的安全相關(guān)屬性，框架本身不支持模型檢查和模型分析。

App4MC：APP4MC 是一個(gè)開(kāi)源 Eclipse 平臺(tái)，專(zhuān)注于性能仿真，主要涉及多核平臺(tái)中的調(diào)度和時(shí)序分析，使用基于模型的開(kāi)發(fā)方法。可以對(duì)硬件和軟件元素進(jìn)行建模，包括處理器類(lèi)型、各種指定模塊之間的連接類(lèi)型、操作系統(tǒng)調(diào)度程序以及任務(wù)屬性，例如執(zhí)行時(shí)間和截止日期。

▲圖4App4MC框架

此外，可以模擬硬件和軟件模型和約束的定義以及整個(gè)模型，同時(shí)考慮包括負(fù)載平衡、能耗和內(nèi)存在內(nèi)的不同優(yōu)化目標(biāo)。

下圖顯示了APP4MC中的汽車(chē)系統(tǒng)建模示例，包括任務(wù)、硬件、操作系統(tǒng)、約束和任務(wù)映射。例如，在任務(wù)映射部分，可以將調(diào)度程序分配給核心。硬件模型方面，包括一個(gè)處理器（包括四個(gè)內(nèi)核）、集成 GPU (iGPU)、緩存和內(nèi)存等共享模塊以及這些組件之間的通信，使用 AAP4MC 可視化功能進(jìn)行了可視化。

▲圖5App4MC建模示例

然而，APP4MC 只分析和模擬任務(wù)映射而不是求解，在涵蓋的安全屬性和優(yōu)化目標(biāo)方面受到限制，并且有相當(dāng)數(shù)量的 E/E 架構(gòu)元素未被 AAP4MC 考慮。

上述幾個(gè)都是開(kāi)源的工具，除此之外還有商業(yè)化的工具可以支持EE架構(gòu)設(shè)計(jì)。

PreeVision：Vector的工具，用于汽車(chē)行業(yè)中基于模型的分布式嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。它為面向信號(hào)和服務(wù)的架構(gòu)構(gòu)建以及 E/E 系統(tǒng)的所有方面提供了全面的功能，包括需求工程、AUTOSAR、軟件和通信設(shè)計(jì)以及線(xiàn)束演變。集成和基于模型的方法有助于復(fù)雜任務(wù)保持簡(jiǎn)單和可控。它還支持經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的抽象、分解和重用系統(tǒng)工程原則，可以作為工程骨干。它支持從多個(gè)位置對(duì)共享數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行并行工作，以及可用于不同車(chē)輛的 E/E 架構(gòu)平臺(tái)的設(shè)計(jì)；此外，它還提供組件的設(shè)計(jì)和評(píng)估、信號(hào)路由、模型一致性檢查和功能安全分析。

ASCET-DEVELOPER：這是一款基于商業(yè)模型的軟件，面向汽車(chē)領(lǐng)域，構(gòu)建在Eclipse平臺(tái)上。它幫助系統(tǒng)架構(gòu)師以低開(kāi)銷(xiāo)創(chuàng)建高性能、安全可靠的嵌入式軟件。由于其具有ISO26262 ASIL-D等安全認(rèn)證，因此適用于安全關(guān)鍵軟件開(kāi)發(fā)。該商業(yè)框架支持模型分析，包括圖形和文本規(guī)范以及模型驗(yàn)證。此外，它支持從設(shè)計(jì)模型自動(dòng)生成C代碼，并提供單元測(cè)試功能；此外，可以通過(guò)提供不同的接口和標(biāo)準(zhǔn)化的文件交換格式來(lái)支持工具鏈集成，使工具易于集成到開(kāi)發(fā)過(guò)程和工具鏈中。

SymTA/S：這是一個(gè)用于分析性能和優(yōu)化支持異構(gòu)架構(gòu)的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)框架。SymTA/S可用于處理器、ECU、通信總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)預(yù)算、調(diào)度驗(yàn)證和優(yōu)化。該工具支持分布式嵌入式架構(gòu)的時(shí)序和調(diào)度分析，例如計(jì)算最壞情況執(zhí)行時(shí)間（WCET）。它支持獨(dú)特的端到端時(shí)序分析和可視化；此外，它可以通過(guò)定義多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)及其集成概念來(lái)規(guī)劃和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在使用 DSE 方法時(shí)確定其可靠性和安全性。

審核編輯：劉清