中央計算單元架構已經成為汽車行業的共識，各主機廠都正努力在將其中央計算單元架構落地。

然而在將硬件、操作系統、中間件、管理程序、應用程序等集成到計算單元，還需要滿足功能安全要求，這是一項耗時、復雜且容易出錯，且非常具有挑戰性的任務。

下圖描述了系統架構師進行軟件架構設計時需要考慮的方面，包括任務在不同核心的分析、調度分配，不同應用中的交互，同時還要考慮配置參數、系統的安全和非安全要求以及優化目標。此外，由于大型操作系統、中間件、應用程序的不可預測行為，系統架構師必須在部署后解決方案后，進行驗證實際場景的驗證是否滿足要求。

▲圖1架構設計需要考慮的方面

接下來闡述考慮各種優化目標的多核處理器中動態和靜態任務映射的方法，以及當前軟件集成的技術和方法，包括模型分析、配置、模型檢查和任務映射。

01.多核芯片的任務映射

根據應用場景和用戶需求，多核體系架構分為同構和異構兩種，同構多核芯片是該芯片內的所有內核都相同，即這都具有相似的計算能力和指令集體系架構。而異構體系架構是不同內核集成到一個芯片中。例如提供高性能且低功耗的核心，通常采用的是異構。就任務映射而言，同構處理器比異構的工作量更少，不需要基于不同核的屬性來確認任務的分配。

多核中的任務分配可以有兩種，一種是靜態的，也就是在架構設計時，各個任務運行在哪個核心就已經確定了，另外一種是動態的分配，根據當前的負載、運行場景等。

那不管是靜態還是動態任務映射，如何設計一種合適的映射方案呢？首先前提是現有的硬件、以及性能參數要求，包括負載率、溫度、可靠性等，對于靜態設計時，可以使用圖論算法、數學規劃算法或者是基于啟發式的算法，例如數學規劃算法，將需求轉化為數學不等式。然后通過使用不同的數學規劃來解不等式，包括混合整數線性規劃、分支和邊界、約束規劃和整數線性規劃。在數學規劃方法中，只要映射問題的復雜性不變為NP，就始終保證最優解。在NP問題的情況下，可以使用基于啟發式的算法。對于動態設計時，可以使用貪婪算法或者是反饋控制理論算法等。

02.架構設計工具分析

下面主要聊一聊嵌入式系統中現有的軟件集成技術，包括嵌入式系統的模型分析、基于需求的模型檢驗和驗證。此外，每個技術都是基于問題屬性和各種設計指標、DSE方法、優化算法以及安全相關和優化屬性進行分析的。

OSATE（開源 AADL 工具環境）：這是一個功能強大的開源工具，它使用語法感知文本編輯器和同步圖形編輯器創建 AADL（架構分析和設計語言）模型（如下圖）。OSATE 是一個基于 Eclipse 的工具，包含使用 AADL 語言的航空航天和汽車系統的建模元素。

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

AADL是一種建模語言，通過可擴展符號、工具框架和精確指定的語義，支持對系統架構的關鍵的性能屬性進行早期和反復的分析，例如數據流分析，任務映射分析。該語言利用形式化的建模概念來描述和分析應用系統架構的不同組件及其交互。包括軟件（例如，進程和線程）、計算硬件（例如，處理器、總線、設備和存儲器）和系統組件的抽象。AADL對于復雜實時嵌入式系統基于模型的分析特別有效。

通過使用 OSATE 工具，用戶可以對包括硬件和軟件(應用程序級別)在內的系統（例如 ADAS 系統）進行建模，例如，可以對用于每個應用程序的線程進行建模，包括線程的周期、計算執行時間、每秒百萬指令 (MIPS) 預算和參考處理器。OSATE 根據與 AADL 文本語法規則以及每個指定組件的屬性定義中的違規來檢查用戶創建的模型。

此外，可以使用該框架執行各種模型分析，該框架包括流延遲檢查，包括端到端流延遲計算、調度分析（例如調度綁定線程，即處理器利用率報告、綁定和調度線程，即線程綁定報告，并對單調優先級分配進行評分），預算分析（包括分析總線負載，電力需求，資源分配，計算機資源預算，計算總權重），安全分析包括故障樹分析（FTA），功能危險評估（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，可以使用該框架執行各種語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 和能夠將模型從 MATLAB 和 Simulink 導入 OSATE)。但是OSATE不支持任何DSE方法，例如解決多核汽車計算單元的映射問題。

ArcheOpterix：如前所述，尋找可接受的架構設計對于軟件和系統架構師來說是一項具有挑戰性的任務，要考慮架構設計階段的質量和功能需求。ArcheOpterix 是一個基于 Eclipse 的開源工具，它有助于使用評估技術、DSE 方法和針對 AADL 規范的優化啟發式方法來簡化任務。該框架支持軟件組件的建模以及軟件組件、ECU、總線和服務之間的通信。

此外，考慮到設計約束和優化目標，包括冗余分配和成本，該工具可以優化軟件組件到 ECU 的部署。該工具可以指定與系統參數相關的不確定信息，因此可以搜索最佳和穩健的候選架構，下圖展示了ArcheOpterix的頂層框架。

▲圖3ArcheOpterix的頂層框架

然而，該工具在汽車平臺上使用也存在一些限制。首先框架已經過時，沒有很好的文檔可供使用。它不支持任務映射分析和解決多核架構的映射問題，也不關注汽車應用的多核計算平臺。此外該工具不包括ISO 26262的安全相關屬性，框架本身不支持模型檢查和模型分析。

App4MC：APP4MC 是一個開源 Eclipse 平臺，專注于性能仿真，主要涉及多核平臺中的調度和時序分析，使用基于模型的開發方法。可以對硬件和軟件元素進行建模，包括處理器類型、各種指定模塊之間的連接類型、操作系統調度程序以及任務屬性，例如執行時間和截止日期。

▲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模型，同時考慮包括負載平衡、能耗和內存在內的不同優化目標。

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

▲圖5App4MC建模示例

然而，APP4MC 只分析和模擬任務映射而不是求解，在涵蓋的安全屬性和優化目標方面受到限制，并且有相當數量的 E/E 架構元素未被 AAP4MC 考慮。

上述幾個都是開源的工具，除此之外還有商業化的工具可以支持EE架構設計。

PreeVision：Vector的工具，用于汽車行業中基于模型的分布式嵌入式系統開發。它為面向信號和服務的架構構建以及 E/E 系統的所有方面提供了全面的功能，包括需求工程、AUTOSAR、軟件和通信設計以及線束演變。集成和基于模型的方法有助于復雜任務保持簡單和可控。它還支持經過實踐檢驗的抽象、分解和重用系統工程原則，可以作為工程骨干。它支持從多個位置對共享數據庫進行并行工作，以及可用于不同車輛的 E/E 架構平臺的設計；此外，它還提供組件的設計和評估、信號路由、模型一致性檢查和功能安全分析。

ASCET-DEVELOPER：這是一款基于商業模型的軟件，面向汽車領域，構建在Eclipse平臺上。它幫助系統架構師以低開銷創建高性能、安全可靠的嵌入式軟件。由于其具有ISO26262 ASIL-D等安全認證，因此適用于安全關鍵軟件開發。該商業框架支持模型分析，包括圖形和文本規范以及模型驗證。此外，它支持從設計模型自動生成C代碼，并提供單元測試功能；此外，可以通過提供不同的接口和標準化的文件交換格式來支持工具鏈集成，使工具易于集成到開發過程和工具鏈中。

SymTA/S：這是一個用于分析性能和優化支持異構架構的實時嵌入式系統的商業框架。SymTA/S可用于處理器、ECU、通信總線和網絡預算、調度驗證和優化。該工具支持分布式嵌入式架構的時序和調度分析，例如計算最壞情況執行時間（WCET）。它支持獨特的端到端時序分析和可視化；此外，它可以通過定義多個優化目標及其集成概念來規劃和優化系統設計，并在使用 DSE 方法時確定其可靠性和安全性。

審核編輯：劉清