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

　　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。現(xiàn)代化的汽車已獲得長足發(fā)展，不再是耦合了 AM 無線電的簡單發(fā)動機(jī)電氣系統(tǒng)。如今現(xiàn)代化的汽車搭載了多種高級電子系統(tǒng)，能夠執(zhí)行發(fā)動機(jī)控制、高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)、牽引力與穩(wěn)定性控制、信息娛樂等功能，此外還針對某些尖端應(yīng)用提供了自主操作能力。

　　這種汽車內(nèi)電子系統(tǒng)部署的顯著增長也帶來了幾個必須由設(shè)計人員解決的挑戰(zhàn)：

　　· 性能 – 需要實時、低時延與高確定性的性能以實現(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)實現(xiàn)關(guān)鍵功能，故障會導(dǎo)致受傷或死亡。因此，系統(tǒng)必須實現(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)動器與其他制動器。

　　· 功率效率 – 必須在有限的功耗預(yù)算內(nèi)高效運行。

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

　　為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，汽車電子系統(tǒng)開發(fā)人員正在部署片上異構(gòu)系統(tǒng) (SoC) 器件。異構(gòu)器件將一個處理單元(通常為多核)與一個或多個異構(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) 實現(xiàn)高性能算法和接口連接，同時由處理系統(tǒng)實現(xiàn)更高級的決策制定、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，這些接口可通過處理系統(tǒng)或可編程邏輯實現(xiàn)。得益于 IO 結(jié)構(gòu)的靈活性，可使用可編程邏輯實現(xiàn)關(guān)鍵的原有接口與定制接口。然而，這需要添加一個外部 PHY 來實現(xiàn)協(xié)議的物理層，從而提供任意連接。

　　某些異構(gòu) SoC 面向多個器件級與系統(tǒng)級安全功能提供支持，便于輕松實現(xiàn)。這些器件能夠?qū)雍团渲眠^程進(jìn)行加密與驗證。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，開發(fā)團(tuán)隊便可創(chuàng)建正交環(huán)境，通過使用程序管理器，對軟件訪問底層硬件進(jìn)行限制。此外，這里也提供幾個額外的設(shè)計選擇，例如功能隔離，可以在設(shè)計中實現(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 開發(fā)流程把設(shè)計劃分為處理器系統(tǒng)和可編程邏輯兩大部分。這種方法在過去需要兩個獨立的開發(fā)團(tuán)隊，這會增加非重復(fù)性工程成本、開發(fā)時間與技術(shù)風(fēng)險。此外，該方法還將設(shè)計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。

　　人們所需的開發(fā)工具應(yīng)該可實現(xiàn)整個器件的軟件定義開發(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? 等高級語言以軟件方式定義整個系統(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縫移動，以便選擇是在處理器系統(tǒng)中運行還是在可編程邏輯中實現(xiàn)。

　　圖 1 - 使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器選擇要加速的功能。

　　通過使用處理系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)置定時器來為功能執(zhí)行時間計時，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，以備通過使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器在可編程邏輯中實現(xiàn)加速。

　　處理系統(tǒng)與可編程邏輯之間的移動是通過系統(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)合來實現(xiàn)的。軟件定義連接框架能夠無縫地將 HLS 結(jié)果連接至軟件應(yīng)用，設(shè)計團(tuán)隊使用這種方法，一鍵點擊就能在處理器和可編程邏輯間移動功能。當(dāng)然在用戶把功能移動到可編程邏輯時，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延，這對諸如 ECU 和 ADAS 的應(yīng)用來說是至關(guān)重要的。

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

　　庫支持

　　很多汽車應(yīng)用都是使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開源庫進(jìn)行開發(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。為加快這些應(yīng)用的開發(fā)，系統(tǒng)優(yōu)化編譯器需要能夠支持多個 HLS 庫，以便開發(fā)人員在其應(yīng)用中使用。系統(tǒng)優(yōu)化編譯器應(yīng)支持多個關(guān)鍵庫，其中包括：

　　· OpenCV – 能夠加速計算機(jī)視覺功能

　　· Caffe – 能夠加速機(jī)器學(xué)習(xí)推理引擎

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

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

　　· 線性代數(shù)庫 – 提供通用線性代數(shù)功能庫。

　　· 任意精度數(shù)據(jù)類型庫 – 使用有符號和無符號整數(shù)支持非2次冪的任意長度數(shù)據(jù)。該庫允許開發(fā)人員更高效地使用 FPGA 資源。

　　這些庫的提供為開發(fā)團(tuán)隊提供相當(dāng)大的支持，讓開發(fā)團(tuán)隊不必開發(fā)類似的功能。

　　真實實例

　　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。用來保護(hù)存儲數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)安全的一種常用算法是高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)。AES 是在高級層面描述的，但最適合在可編程邏輯架構(gòu)中實現(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，已開發(fā)一款面向三種常用操作系統(tǒng)的簡單 AES 256 應(yīng)用。該實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現(xiàn)功能的加速。 

圖 3 - 當(dāng)使用系統(tǒng)優(yōu)化編譯器時，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)計人員面臨的挑戰(zhàn)。通過使用高級語言，系統(tǒng)優(yōu)化編譯器能夠?qū)@些器件進(jìn)行開發(fā)，一旦使用處理器完成對應(yīng)用功能的開發(fā)與原型設(shè)計后，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，從而縮短開發(fā)時間，實現(xiàn)更安全、響應(yīng)性更強(qiáng)、能效更高的解決方案。