使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器加速汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　得益于摩爾定律，汽車電氣系統(tǒng)經(jīng)歷了快速的技術(shù)增長(zhǎng)?，F(xiàn)代化的汽車已獲得長(zhǎng)足發(fā)展，不再是耦合了 AM 無(wú)線電的簡(jiǎn)單發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)。如今現(xiàn)代化的汽車搭載了多種高級(jí)電子系統(tǒng)，能夠執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)、牽引力與穩(wěn)定性控制、信息娛樂(lè)等功能，此外還針對(duì)某些尖端應(yīng)用提供了自主操作能力。

　　這種汽車內(nèi)電子系統(tǒng)部署的顯著增長(zhǎng)也帶來(lái)了幾個(gè)必須由設(shè)計(jì)人員解決的挑戰(zhàn)：

　　· 性能 – 需要實(shí)時(shí)、低時(shí)延與高確定性的性能以實(shí)現(xiàn)例如 ADAS、ECU、牽引力與穩(wěn)定性控制等多種車載功能。

　　· 安全 – 汽車電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵功能，故障會(huì)導(dǎo)致受傷或死亡。因此，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)信息安全保障與防篡改技術(shù)，以防止未授權(quán)的修改。

　　· 安全性 – 必須符合 ISO26262 規(guī)定的汽車安全完整性水平。

　　· 接口 – 必須能夠連接多種傳感器、驅(qū)動(dòng)器與其他制動(dòng)器。

　　· 功率效率 – 必須在有限的功耗預(yù)算內(nèi)高效運(yùn)行。

　　· 軟件定義 – 具備高靈活性以適應(yīng)多種市場(chǎng)中的不同標(biāo)準(zhǔn)與條件。

　　為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員正在部署片上異構(gòu)系統(tǒng) (SoC) 器件。異構(gòu)器件將一個(gè)處理單元(通常為多核)與一個(gè)或多個(gè)異構(gòu)協(xié)同處理器(例如 GPU、DSP 或可編程邏輯)相結(jié)合。

　　將處理單元與可編程邏輯相結(jié)合可構(gòu)成緊密集成型系統(tǒng)，以便利用可編程邏輯的固有并行特性。該特性支持使用可編程邏輯 (PL) 實(shí)現(xiàn)高性能算法和接口連接，同時(shí)由處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的決策制定、通信與系統(tǒng)管理功能。完成結(jié)合后，便可使可編程邏輯分擔(dān)處理任務(wù)，從而創(chuàng)建更具響應(yīng)性、確定性并且能效更高的解決方案。

　　就接口連接而言，異構(gòu) SoC 可支持多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)接口，這些接口可通過(guò)處理系統(tǒng)或可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。得益于 IO 結(jié)構(gòu)的靈活性，可使用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的原有接口與定制接口。然而，這需要添加一個(gè)外部 PHY 來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的物理層，從而提供任意連接。

　　某些異構(gòu) SoC 面向多個(gè)器件級(jí)與系統(tǒng)級(jí)安全功能提供支持，便于輕松實(shí)現(xiàn)。這些器件能夠?qū)?dòng)和配置過(guò)程進(jìn)行加密與驗(yàn)證。如果處理器內(nèi)核是基于 ARM 處理器的，那么可使用 Trustzone 保證軟件環(huán)境安全。有了 Trustzone，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)便可創(chuàng)建正交環(huán)境，通過(guò)使用程序管理器，對(duì)軟件訪問(wèn)底層硬件進(jìn)行限制。此外，這里也提供幾個(gè)額外的設(shè)計(jì)選擇，例如功能隔離，可以在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步加強(qiáng)取決于需求的安全解決方案。

　　傳統(tǒng)的異構(gòu) SoC 開(kāi)發(fā)流程把設(shè)計(jì)劃分為處理器系統(tǒng)和可編程邏輯兩大部分。這種方法在過(guò)去需要兩個(gè)獨(dú)立的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，這會(huì)增加非重復(fù)性工程成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間與技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。此外，該方法還將設(shè)計(jì)功能固定在處理器內(nèi)核或可編程邏輯中，使后期優(yōu)化難以進(jìn)行。

　　人們所需的開(kāi)發(fā)工具應(yīng)該可實(shí)現(xiàn)整個(gè)器件的軟件定義開(kāi)發(fā)，并有能力根據(jù)需要將功能從處理器內(nèi)核轉(zhuǎn)移到可編程邏輯，而且非 HDL 專家也能完成。

　　這正是系統(tǒng)優(yōu)化編譯器的用武之地。系統(tǒng)優(yōu)化編譯器能利用 C、C++ 或 OpenCL? 等高級(jí)語(yǔ)言以軟件方式定義整個(gè)系統(tǒng)行為。然后，使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器執(zhí)行處理器系統(tǒng)與可編程邏輯之前的功能分區(qū)，該編譯器能夠使功能無(wú)縫移動(dòng)，以便選擇是在處理器系統(tǒng)中運(yùn)行還是在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)。

　　圖 1 - 使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器選擇要加速的功能。

　　通過(guò)使用處理系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)置定時(shí)器來(lái)為功能執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)，可找出造成瓶頸的功能，從而創(chuàng)建瓶頸功能列表。這些瓶頸功能便成為候選，以備通過(guò)使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)加速。

　　處理系統(tǒng)與可編程邏輯之間的移動(dòng)是通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化編譯器的高層次綜合(可將 C、C++、OpenCL 程序轉(zhuǎn)換為 Verilog 或 VHDL 描述的工具)與軟件定義連接框架之間的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件定義連接框架能夠無(wú)縫地將 HLS 結(jié)果連接至軟件應(yīng)用，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用這種方法，一鍵點(diǎn)擊就能在處理器和可編程邏輯間移動(dòng)功能。當(dāng)然在用戶把功能移動(dòng)到可編程邏輯時(shí)，他們也得到了明顯的性能提升，自然這是使用可編程邏輯的結(jié)果。與 CPU/GPU 解決方案相比，在 PL 中進(jìn)行加速還能提高確定性并降低時(shí)延，這對(duì)諸如 ECU 和 ADAS 的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

　　圖 2 - 使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器對(duì)資源與性能進(jìn)行估算。

　　庫(kù)支持

　　很多汽車應(yīng)用都是使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)源庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，例如在 ADAS 系統(tǒng)中使用 OpenCV 或 Caffe，或在 ECU 中使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)庫(kù)。為加快這些應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)優(yōu)化編譯器需要能夠支持多個(gè) HLS 庫(kù)，以便開(kāi)發(fā)人員在其應(yīng)用中使用。系統(tǒng)優(yōu)化編譯器應(yīng)支持多個(gè)關(guān)鍵庫(kù)，其中包括：

　　· OpenCV – 能夠加速計(jì)算機(jī)視覺(jué)功能

　　· Caffe – 能夠加速機(jī)器學(xué)習(xí)推理引擎

　　· 數(shù)學(xué)庫(kù) – 提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)庫(kù)的可綜合實(shí)現(xiàn)。

　　· IP 庫(kù) – 為實(shí)現(xiàn) FFT、FIR 和移位寄存器 LUT 功能提供 IP 庫(kù)。

　　· 線性代數(shù)庫(kù) – 提供通用線性代數(shù)功能庫(kù)。

　　· 任意精度數(shù)據(jù)類型庫(kù) – 使用有符號(hào)和無(wú)符號(hào)整數(shù)支持非2次冪的任意長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。該庫(kù)允許開(kāi)發(fā)人員更高效地使用 FPGA 資源。

　　這些庫(kù)的提供為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供相當(dāng)大的支持，讓開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)不必開(kāi)發(fā)類似的功能。

　　真實(shí)實(shí)例

　　很多汽車應(yīng)用的關(guān)鍵元素是保護(hù)數(shù)據(jù)以防止未授權(quán)修改，避免導(dǎo)致不安全操作。用來(lái)保護(hù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)安全的一種常用算法是高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)。AES 是在高級(jí)層面描述的，但最適合在可編程邏輯架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的算法的范例。為了演示使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器的優(yōu)勢(shì)，已開(kāi)發(fā)一款面向三種常用操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)單 AES 256 應(yīng)用。該實(shí)例最初只在處理器系統(tǒng)中執(zhí)行，然后在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)功能的加速。 

圖 3 - 當(dāng)使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器時(shí)，不同操作系統(tǒng)的 AES 加速結(jié)果。

　　結(jié)論

　　異構(gòu) SoC 能夠解決汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)使用高級(jí)語(yǔ)言，系統(tǒng)優(yōu)化編譯器能夠?qū)@些器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，一旦使用處理器完成對(duì)應(yīng)用功能的開(kāi)發(fā)與原型設(shè)計(jì)后，處理器系統(tǒng)與可編程邏輯之間的功能分區(qū)即可得到優(yōu)化，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更安全、響應(yīng)性更強(qiáng)、能效更高的解決方案。