異構(gòu)SoC軟硬件功能詳解（恩智浦的S32G芯片架構(gòu)圖）

主機(jī)廠面臨的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)1

某主機(jī)廠想在現(xiàn)有車型上增加一個(gè)汽車香氛功能，發(fā)現(xiàn)需要修改8個(gè)以上ECU結(jié)點(diǎn)，涉及到5個(gè)以上的供應(yīng)商的PCE，多條CAN總線信號改變，包括很長周期的測試驗(yàn)證及功能聯(lián)調(diào)。 ?

挑戰(zhàn)2

某主機(jī)廠在規(guī)劃下一代車型的電子電器架構(gòu)，新的EE架構(gòu)里增加了高階ADAS域控制器，10多個(gè)揚(yáng)聲器，10個(gè)以上的攝像頭，激光雷達(dá)，點(diǎn)云毫米波雷達(dá)。 ? 導(dǎo)致ECU數(shù)量，ECU體積，ECU重量都有顯著提升，線束線徑直線上升，線束太粗，無法走線。??

挑戰(zhàn)3

來自某新勢力主機(jī)廠的挑戰(zhàn)。 ? 某新勢力主機(jī)廠在SOP之后以驚人的速度通過軟件OTA來給車型增加新功能，在將近3-4年內(nèi)，不停的通過OTA給汽車賦能，給汽車增加新的功能，使消費(fèi)者持續(xù)獲得新鮮感，有一種說法：某新勢力的OTA功能打開了潘多拉的魔盒。 ? 當(dāng)前其他主機(jī)廠也在思考，?在SOP之后，汽車的生命周期是否還可以再延續(xù)幾年。然后通過OTA的方式來再次獲利。 ? 下表為2019某新勢力主機(jī)廠主要升級的內(nèi)容匯總：?

挑戰(zhàn)4

某些主機(jī)廠在分析某新勢力主機(jī)廠的EEA之后的設(shè)計(jì)思路。 ? 包括中央大腦的出現(xiàn)，ADAS的ECU、娛樂系統(tǒng)的ECU。如下圖所示 ?

? 上述EEA中，通過將車身的功能按區(qū)域劃分，進(jìn)而優(yōu)化走線。將原先按照功能域劃分的功能拆分到不同的區(qū)域里面。 ? 很多主機(jī)廠都是跟風(fēng)的，但是有些主機(jī)廠是有自己的想法的，所以他們也在往中央計(jì)算+區(qū)域化的電子電氣架構(gòu)的方向發(fā)展，以這樣的模式去開發(fā)他們的下一代的電子電氣架構(gòu)。??

總結(jié)

當(dāng)前主機(jī)廠碰到的問題： ?

隨著車內(nèi)功能越來越多，代碼量已達(dá)到將近2億行

控制器數(shù)量已多達(dá)100多個(gè)，整個(gè)管控非常困難

1000個(gè)以上的功能跨ECU，這些功能要做修改和迭代是非常困難的

所以目前來說這些主機(jī)廠都為這些問題。正在頭痛，所以說大家都在尋求改變。 ? ? 特斯拉在年終一個(gè)更新里面增加了一個(gè)燈光秀的一個(gè)功能，這其實(shí)包含了SOA的概念。如果我們在原來的EEA上面要實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)功能，其實(shí)是比較難的。

中央+區(qū)域的電子電器架構(gòu)

那么中央?yún)^(qū) + 區(qū)域的EEA是一個(gè)什么樣的一個(gè)概念呢？

中央 + 區(qū)域 EEA的概念

在1999年的時(shí)候，整車可能只有19個(gè)ECU，經(jīng)過多年以后，最新一代汽車上，ECU的數(shù)量已經(jīng)增加了108個(gè)，F(xiàn)lexRay的總線上的信號數(shù)量已經(jīng)多達(dá)4萬個(gè)。 ? 以FlexRay為例，當(dāng)我們在增加功能的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)，沒有人知道這4萬多個(gè)信號到底是干什么的，也沒有人敢去動(dòng)它，然后大家只管往里面再去增加更多的信號，那么會(huì)導(dǎo)致后續(xù)我們?nèi)ラ_發(fā)新的功能的時(shí)候就非常的困難，所以需要做出改變！ ? 下圖是他們這家主機(jī)廠現(xiàn)在在努力的一個(gè)方向，原先的電子電器架構(gòu)主要是以功能域來劃分的， 慢慢的轉(zhuǎn)到中央式的電子電器架構(gòu)，他們會(huì)把很多功能域集成到計(jì)算平臺(tái)的ECU中， 把一些配電和一些對傳感器執(zhí)行器的集成會(huì)放在VIU 單元當(dāng)中去， 用高速或慢速的CAN或以太網(wǎng)，跟中央的大腦之間進(jìn)行一個(gè)連接。 ?

集中計(jì)算的概念就是要有一個(gè)高性能的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)軟件要有一個(gè)SOA的概念，具備OS與中間件， APP 要與硬件解耦； ? 然后分布式連接就是首先要搭一個(gè)中央+區(qū)域的電子電器架構(gòu)，同時(shí)利用高速總線（以太網(wǎng)或 PCIe）來實(shí)現(xiàn)功能域之間的連接和通信，還有一些線束的革新，以及要做到IO解耦。??

SoC廠家愿景規(guī)劃

一些SoC廠家推出了一些SoC概念，在他們眼中，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)網(wǎng)關(guān)把各個(gè)功能域連接在一起。 ? 在目前21/22年這一代可能量產(chǎn)的一些車型，或者量產(chǎn)的大部分車型中他們以功能域來劃分。在下圖可以看到ECU的數(shù)量大大減少了，把很多計(jì)算的東西放到了功能域上面，把一些功能集成到一個(gè)更大的ECU里面。 ? 在24/25年的時(shí)候，基本上會(huì)把這些功能域的控制器再做進(jìn)一步的集成，會(huì)形成一個(gè)兩個(gè)或三個(gè)這種大腦即我們認(rèn)為叫GCP或者叫CCU這樣一種形式，然后再以區(qū)域化的方式去接入。? ? 新進(jìn)來的一個(gè)SoC廠商更加激進(jìn)，他們認(rèn)為可能一直到2026年可以把整車所有的計(jì)算全都放在單個(gè)的SoC里面，里面包括娛樂系統(tǒng)、Cluster、ADAS、車內(nèi)感知、車身控制、底盤等所有的功能。 ? 這目前是一個(gè)愿景，還在PPT階段，我們也拭目以待！ ?

計(jì)算平臺(tái)概念

目前來說比較適合中國的主機(jī)廠的一個(gè)多快好省的計(jì)算平臺(tái)GCP，它應(yīng)該怎么去搭呢？ ? 首先它是要有一個(gè)異構(gòu)的SoC，它里面是有MPU, 主要用來去做高性能計(jì)算，那上面我們會(huì)有VDL的這一層把外面接的執(zhí)行傳感器或者是其他的一些ECU進(jìn)行一個(gè)抽象和代理。 ? 然后還有一個(gè)MCU這個(gè)單元，MCU就相當(dāng)于一個(gè)實(shí)時(shí)核，它里面主要會(huì)跑 CP AUTOSAR，會(huì)通過信號與服務(wù)的轉(zhuǎn)換把一些信號暴露出來給MPU，讓MPU這邊去做一個(gè)SOA的一些應(yīng)用。 ? MCU主要是看它的個(gè)數(shù)，包括它的算力，能夠支撐我們外面的一些ECU往里面去收集，我們就相當(dāng)于可以去把類似于純計(jì)算的一些ECU集成到我們這個(gè)MCU里面去。 ? 然后MPU這邊的話可能會(huì)有一些SOA的服務(wù)，整車的OTA的Master，網(wǎng)絡(luò)安全，整車診斷的功能，大數(shù)據(jù)收集的功能等都會(huì)放在MPU上，利用它的一個(gè)高性能的 OS、 Linux或者eMCOS，數(shù)據(jù)庫的這種方式可以在這上面實(shí)現(xiàn)。??

計(jì)算平臺(tái)的特點(diǎn)

上述計(jì)算平臺(tái)的特點(diǎn)如下： ?

中央網(wǎng)關(guān)既是網(wǎng)關(guān)又是計(jì)算平臺(tái)，也是軟硬分離的核心部件

中央網(wǎng)關(guān)連接的不再是功能域網(wǎng)段，而是按實(shí)時(shí)性及帶寬要求分解出更多的網(wǎng)段；

客戶體驗(yàn)相關(guān)應(yīng)用盡量上移到GCP，硬件相關(guān)軟件的基礎(chǔ)功能軟件放在其他節(jié)點(diǎn)。

盡量暴露其他節(jié)點(diǎn)的信號；

盡量暴露其他節(jié)點(diǎn)的能力并盡量原子化；

GCP算力高低可配；

SoC盡量pin to pin 可擴(kuò)展；

VDL可厚可薄取決需求。

通用計(jì)算平臺(tái)搭建

GCP如何搭建呢？它首先里面包括MPU、MCU兩個(gè)計(jì)算單元，我們這里是在一個(gè)異構(gòu)的SoC架構(gòu)里面。 ?

它是一個(gè)實(shí)時(shí)性的核和高性能的核的組合， 它要能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能域的融合的話，必須要支持不同的安全級別，有一些安全隔離，內(nèi)存、功能等之間是互相要隔離開，同時(shí)供電也是要互相隔離。 ? MPU特點(diǎn)：高算力、大運(yùn)算量、服務(wù)類通信、低安全級別、低實(shí)時(shí)性、功能多樣化 ? MCU特點(diǎn)：中低算力、多控制功能、高安全級別、高實(shí)時(shí)性、快速啟動(dòng)

功能分配

整合考慮因素

功能是否對實(shí)時(shí)性要求很高

功能是否需要有很多的模擬量輸入和輸出

I/O和計(jì)算分離后業(yè)務(wù)邏輯的變化(計(jì)算時(shí)的輸入參數(shù)需要通過總線傳遞)

OEM或供應(yīng)商是否有把某個(gè)功能做I/O,計(jì)算分離的技術(shù)能力

是否對優(yōu)化成本有優(yōu)勢

評估每個(gè)功能對硬件能力的需求，并評估整合后在新的硬件平臺(tái)上是否同樣滿足需求

整合后的ECU開發(fā)難度

功能分配

下圖是某個(gè)主機(jī)廠的一個(gè)基于Ti芯片的計(jì)算平臺(tái)，集成網(wǎng)關(guān)功能，車身控制功能，同時(shí)因?yàn)樗饷嬗型鈷霫Q的芯片，把上層的ADAS融合算法和車輛控制也放到了這個(gè)芯片里面。 ?

高性能核有一些MCU的功能，在一個(gè)MPU中會(huì)有SOA相關(guān)的信號服務(wù)轉(zhuǎn)換功能、基本功能、上層服務(wù)。 ? 還有診斷功能DoIP、時(shí)鐘同步功能，數(shù)據(jù)和日志大數(shù)據(jù)收集功能（可能有的主機(jī)廠把大數(shù)據(jù)放在娛樂系統(tǒng)那邊的話，其實(shí)沒有辦法拿到整個(gè)車身上所有的信號，所以把它放在網(wǎng)關(guān)這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者放在中央計(jì)算平臺(tái)這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn)是非常合理的）、網(wǎng)絡(luò)安全功能、OTA/刷寫功能。 ? 這些芯片除了以上描述的一些功能，還可以做一些視覺處理，泊車功能等。 ? 當(dāng)然這個(gè)芯片目前做了一些評估，雖然說這個(gè)泊車功能放在上面理論上是有可能性，但是可能這個(gè)芯片算力上稍微差點(diǎn)，所以目前來說這只是一個(gè)規(guī)劃，如果后續(xù)出了一個(gè)更高的一個(gè)版本的話，那有可能把這個(gè)芯片的所有功能都用上，做成比較大的一個(gè)融合的平臺(tái)。

IO與計(jì)算分離

IO與計(jì)算分離概念

一個(gè)很典型的例子是在一個(gè)Door模塊里面集成了一個(gè)反光鏡的控制功能。比如有三組用戶的一個(gè)配置參數(shù)存在這個(gè)ECU的flash，受限于ECU的算力和FLASH、RAM大小，能夠存三組用戶數(shù)據(jù)，我們可以看到，大多數(shù)一些車輛的門左側(cè)或者右側(cè)都會(huì)有一個(gè)用戶參數(shù)保存的實(shí)體按鈕，然后memory加上一個(gè)m鍵，這個(gè)功能基本上是定死，沒辦法再擴(kuò)展。 ? ? 我們要去對這個(gè)I/O和計(jì)算進(jìn)行一個(gè)解耦，那么怎么樣去做呢？ ? 我們要把它的最基本的功能，比如左右上下的一個(gè)調(diào)整功能，擋位、車鎖芯聯(lián)動(dòng)的這些功能保留在信號的一個(gè)層面，然后把用戶相關(guān)的參數(shù)保存這些東西會(huì)放到更上層去做。 ? GCP一般是在一個(gè)承上啟下的位置，ECU變成一個(gè)執(zhí)行器，邏輯就會(huì)簡化，信號通信也變的簡單。

整個(gè)的業(yè)務(wù)邏輯上提到GCP里面，比如在R核里面部署一個(gè)類似于反光鏡這樣一個(gè)SWC，那么在A核這邊，我們就可以部署一個(gè)反光鏡控制的這樣一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)，可以由很多其他的服務(wù)來調(diào)用，比如User Setting，這樣用戶的個(gè)性化功能就可以通過服務(wù)調(diào)用跟我們的反光鏡可以聯(lián)動(dòng)起來。 ? 以上就是一個(gè)面向服務(wù)的I/O與計(jì)算分離的一個(gè)示例。 ?

適用于計(jì)算平臺(tái)SoC

下面，我們分享一下適用于計(jì)算平臺(tái)的SoC。??

TI 821

TI 821的主要特點(diǎn)是有兩個(gè)A72的核，相對來說已經(jīng)是比較強(qiáng)的一個(gè)算力。還有4顆R5F，單顆可以在1GHz運(yùn)行下，提供2k的DMIPS算力，4顆R5F最多可以提供8K的算力。 ? 下圖可以看到安全島的概念，綠色的地方，如果用兩顆R5F的話可以達(dá)到ASIL D的一個(gè)級別，它的內(nèi)部MCU也是可以鎖步的，分開來用可以達(dá)到ASL B的級別。這也印證了一點(diǎn)，它可以有不同的安全級別功能同時(shí)跑在不同的核上面。 ?

下圖是一個(gè)假想的設(shè)計(jì)框架，MCU0系統(tǒng)里面可以做一個(gè)網(wǎng)關(guān)的功能，把整個(gè)CP AUTOSAR的協(xié)議部署到上面。可選性比較多的，就看客戶的一個(gè)需求。 ?

NXP S32G

下圖是恩智浦的S32G芯片架構(gòu)圖 ?

? 上圖中，CPU Platform 中有兩個(gè)Cluster 0和1，每個(gè)Cluster 的里面是兩顆A53，這個(gè)A53可以支持鎖步，也可以支持分開來用。相當(dāng)于Cluster 0?和Cluster 1至少可以有兩個(gè)獨(dú)立的工作區(qū)來跑高性能的運(yùn)算. ? M7的核有三個(gè)可以支持鎖步的M7，可以達(dá)到ASIL-D，上面又可以去部署一些高實(shí)時(shí)性或CP AUTOSAR的一些功能。 ? S32G的外部接口的話跟TI 的芯片其實(shí)差不太多，比較有特色的就是它有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加速功能，對傳統(tǒng)的CAN有一個(gè)LLCE的引擎專門對報(bào)文路由進(jìn)行硬件加速，跟PDR模塊進(jìn)行一個(gè)緊密結(jié)合. ? 另外還有一個(gè)以太網(wǎng)加速模塊，也是一個(gè)對以太網(wǎng)報(bào)文路由進(jìn)行一個(gè)加速硬件模塊。這是兩個(gè)比較有特色的點(diǎn)。 ? 下圖是S32G開發(fā)板的參考設(shè)計(jì)框架，圖中外擴(kuò)了一個(gè)Switch，最下面是以太網(wǎng)的連接；上面可以支持LINE、FlexRay（主要是沃爾沃和吉利在用）、CAN傳統(tǒng)的車內(nèi)總線連接。 ?

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SoC通用特性

MultipleCAN, FlexRay(opt), LIN, ADC, DIO,SPI,UART etc

MultipleEthernet

MPU:Cortex-A core (Performance Computing)

MCU:Cortex-M core Cortex-R core (Realtime Computing)

IPC(Inter Processor/Platform Communication)

HighSpeed & Bandwidth Interconnect between Computer Domains

SafetyEngine for HSM

SafetyIsland Concept (Separate Power Supplier, MCU only mode)

DDR-RAM& SRAM

NOR-FLASH(MCU firmware, NVM, Bootloader)

EMMC,UFS (MPU kernel, rootfs,user data)

SecureBoot

計(jì)算平臺(tái)SoC關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

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IPC工作流程

IPC工作流程如下圖所示： ?

Core1

application調(diào)用rpmsg_send接口，把數(shù)據(jù)copy到本地queue

virtio-ring把data從localqueu搬運(yùn)到共享內(nèi)存中的vring中

同時(shí)寫mailbox寄存器進(jìn)行kick操作

Core2

觸發(fā)IPC中斷

中斷處理函數(shù)中把數(shù)據(jù)從vring中搬運(yùn)到localqueue

中斷處理函數(shù)callback，receivecount ++

上層APP調(diào)用rpmsg_recv，把數(shù)據(jù)copy到應(yīng)用中去

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IPCF 跨平臺(tái)通信框架

Inter-Platform Communication Framework (IPCF)???是一個(gè)子系統(tǒng)，它使應(yīng)用程序能夠運(yùn)行在多個(gè)同質(zhì)或異質(zhì)處理核心上，位于同一芯片或不同芯片上，運(yùn)行在不同的芯片上。操作系統(tǒng)（AUTOSAR、Linux、FreeRTOS、Zephyr 等），通過各種傳輸接口進(jìn)行通信（共享內(nèi)存等）。 ? 下圖為恩智浦提出的一個(gè)方案，提供給用戶的API相對友好，利用了Zero-copy的技術(shù)，從用戶空間或用戶application copy到共享內(nèi)存中效率較高。 ?

? 流程 ? 下面解釋一下IPCF的流程。 ? UNMANAGED 兩個(gè)API就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)作，Channel是固定的，先取到一個(gè)buffer，做一個(gè)內(nèi)存寫的動(dòng)作，中斷出來后，有個(gè)中斷處理函數(shù)，中斷處理完成后會(huì)進(jìn)行callback直接會(huì)把memory地址給到APP讀出來，如下圖所示。 ? 總體來說，Unmanaged的效率還是比較高的。 ?

? MANAGED這邊有些小區(qū)別，需要告訴對方chan_id、buffer、size，然后觸發(fā)中斷，對方收到后會(huì)有另外一個(gè)callback接口，會(huì)把buffer、size等告訴app，app用完之后會(huì)還掉buffer。這就是一個(gè)簡單的Managed的過程。 ?

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實(shí)例

基于IPC技術(shù)，我們舉一個(gè)例子，如下圖所示。 ? 在左邊的R5核中部署了一些SWC，利用CDD模塊來實(shí)現(xiàn)IPC。SWC可以實(shí)現(xiàn)一些邏輯，它會(huì)把信號通過IPC路由到A核的SST（信號服務(wù)轉(zhuǎn)換）模塊，SST會(huì)把信號包裝成服務(wù)，通過服務(wù)接口，在控制車窗模塊提供基礎(chǔ)服務(wù)。 ?

? 上述中會(huì)有一個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)：信號到服務(wù)的轉(zhuǎn)換。 ?

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其他關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

QoS (不同的核訪問外設(shè)資源時(shí)候的優(yōu)先級分配)

Firewall(核與核之間訪問內(nèi)存的硬隔離)

DeviceManagement (靈活分配外設(shè)資源到不同的物理核)

InterruptRoutine Management (配合DeviceManagement, 中斷路由管理)

TimeSync (不同核之間的時(shí)間同步)

異構(gòu)SoC的BSP非常大，也是項(xiàng)目開發(fā)難度比較大的點(diǎn)。下圖可以看到A核通常是一個(gè)Linux的一個(gè)BSP，R核通常會(huì)是一個(gè)MCU的一個(gè)BSP，通常它還會(huì)有很多的tool chain，包括編譯的工具，調(diào)試的工具，輔助的SDK。 ?

? 這邊舉了一個(gè)TI 821的例子（J7是一個(gè)內(nèi)部代號），可以看到，它的R核上會(huì)有SBL，A核上會(huì)有SPL，可以從A核先啟動(dòng)，也可以從R核先啟動(dòng)。 ? 當(dāng)然也支持CP AUTOSAR，需要我們做一定的適配。工作量也非常大。 ? 也支持LWIP，一個(gè)輕量化的IP協(xié)議棧，一般使用AUTOSAR的時(shí)候，會(huì)用AUTOSAR的協(xié)議棧。 ? 還有PDK Driver，里面包含了外設(shè)驅(qū)動(dòng)等。 ?

編輯：黃飛