必讀，汽車芯片設(shè)計(jì)指南

時(shí)隔一年，終于有機(jī)會(huì)再攢一顆芯片。這一次，是熱點(diǎn)中的汽車芯片。

 

記得兩年前，在中國(guó)找不出幾家做前裝汽車芯片的公司。而兩年后的今天，突然如雨后春筍般的涌現(xiàn)出十多家，其范圍涵蓋了輔助駕駛，中控，儀表盤，T-Box，網(wǎng)關(guān)，車身控制，電池管理，硬件加解密，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)，圖像傳感器和圖像信號(hào)處理器等，八仙過(guò)海各顯神通。

 

全球范圍內(nèi)，汽車芯片一年銷售額大致是400億刀，其中數(shù)字芯片100億刀：信息娛樂(lè)（中控）芯片約25億刀，均價(jià)在25刀；MCU約60億刀，30億片，均價(jià)2刀；輔助駕駛約17億刀。全球一年大約賣一億輛車，每輛車平均100刀的數(shù)字芯片。其中輔助駕駛芯片處于快速增長(zhǎng)階段。汽車芯片的主要供應(yīng)商，恩智浦，瑞薩數(shù)字部分較多，英飛凌，德州儀器模擬部分較多。汽車芯片是僅存的幾個(gè)利潤(rùn)還不錯(cuò)的市場(chǎng)，技術(shù)門檻也并非不可逾越，更不存在絕對(duì)的生態(tài)閉環(huán)。只是量沒(méi)有消費(fèi)電子那么大，一年出個(gè)幾百萬(wàn)片就不錯(cuò)了。在這個(gè)領(lǐng)域里，新造車勢(shì)力方興未艾，傳統(tǒng)造車勢(shì)力追求差異化，又趕上5G，自動(dòng)駕駛與人工智能的熱點(diǎn)，于是汽車芯片成了繼虛擬現(xiàn)實(shí)，礦機(jī)，NB-IOT，人工智能之后新的投資方向。

上圖是一個(gè)典型的汽車電子系統(tǒng)框架。這個(gè)系統(tǒng)分為幾個(gè)域，車身，動(dòng)力總成，底盤，信息娛樂(lè)，輔助駕駛，網(wǎng)關(guān)和T-Box。每個(gè)域有著各自的域控制器，通過(guò)車載以太網(wǎng)和Can總線互聯(lián)。我們就以架構(gòu)上最復(fù)雜的中控和輔助駕駛芯片為例，展開探討其設(shè)計(jì)思路與方法。

 

新一代的中控芯片的架構(gòu)如下圖，主要由處理器，圖形處理器，多媒體，圖像處理，安全（Security）管理，功能安全（Safety），片上調(diào)試和總線等子系統(tǒng)構(gòu)成。它和通常的應(yīng)用處理器區(qū)別主要在于虛擬化，功能安全，實(shí)時(shí)性和車規(guī)級(jí)電氣標(biāo)準(zhǔn)。

先說(shuō)虛擬化。虛擬化其實(shí)是從服務(wù)器來(lái)的概念，為什么汽車也會(huì)有這個(gè)需求？?jī)牲c(diǎn)原因：現(xiàn)在的中控芯片有一個(gè)趨勢(shì)，集成儀表盤，降低成本。以前的儀表盤通常是用微控制器做的，圖形界面也較簡(jiǎn)單。而現(xiàn)在的系統(tǒng)越來(lái)越炫，甚至需要圖形處理器來(lái)參與。很自然的，這就使得中控和儀表盤合到單顆芯片內(nèi)。它們跑的是不同的操作系統(tǒng)，虛擬化能更好的實(shí)現(xiàn)軟件隔離。當(dāng)然，有些廠商認(rèn)為虛擬化還不夠，需要靠物理隔離才放心，這是后話，稍后展開。另一個(gè)趨勢(shì)是中控本身需要同時(shí)支持多個(gè)屏幕，每個(gè)屏幕分屬于不同的虛擬機(jī)和操作系統(tǒng)，這樣能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，提高軟件的可靠性。

 

虛擬化在硬件上有什么具體要求？這并沒(méi)有明確定義?？梢砸揽刻幚砥髯詭У亩A內(nèi)存管理單元（s2MMU），實(shí)現(xiàn)軟件虛擬機(jī)；也可以在內(nèi)存控制器前放一個(gè)硬件防火墻，對(duì)訪問(wèn)內(nèi)存的地址進(jìn)行檢查和過(guò)濾，不做地址重映射；還可以使用系統(tǒng)內(nèi)存管理單元SMMU實(shí)現(xiàn)完整的硬件虛擬化，這是我們要重點(diǎn)介紹的。

如上圖黃色框所示，每個(gè)主設(shè)備和總線之間，都加了一個(gè)MMU600。為什么每個(gè)主設(shè)備后都要加？很簡(jiǎn)單，如果不加，那必然存在安全漏洞，和軟件虛擬化無(wú)異。那為何不用防火墻？防火墻的的實(shí)現(xiàn)方法，通常是用一個(gè)片上內(nèi)存來(lái)存放過(guò)濾表項(xiàng)。如果做到4K字節(jié)的顆粒度，那4G字節(jié)內(nèi)存就需要1百萬(wàn)項(xiàng)，每項(xiàng)8位，總共1MB的片上內(nèi)存，這是個(gè)不小的成本。另外一個(gè)原因是，防火墻方案的物理地址空間對(duì)軟件是不透明的，采用系統(tǒng)內(nèi)存管理器SMMU600對(duì)上層軟件透明，更貼近虛擬化的需求。


當(dāng)處理器發(fā)起一次地址虛實(shí)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求，內(nèi)存管理單元會(huì)在內(nèi)部的TLB緩存和Table Walk緩存查找最終頁(yè)表項(xiàng)和中間表項(xiàng)。如果在內(nèi)部緩存沒(méi)找到，那就需要去系統(tǒng)緩存或者內(nèi)存讀取。在最差情況下，每一階的4層中間表可能都是未命中，4x4+4=20，最終會(huì)需要20次內(nèi)存讀取。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)存管理器，情況可能更糟。如上圖所示，由于SMMU本身還需引入多級(jí)描述符來(lái)映射多個(gè)頁(yè)表，最極端情況需要36次的訪存才能找到最終頁(yè)表項(xiàng)。如果所有訪問(wèn)都是這個(gè)延遲，顯然無(wú)法接受。

 

Arm傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是添加足夠大的多級(jí)TLB緩存和table walk緩存，效果如下：

這是啟用2階地址映射后的實(shí)測(cè)結(jié)果，其各項(xiàng)緩存大小均配置成較大，然后把兩個(gè)主設(shè)備連到接口，進(jìn)行地址較為隨機(jī)的訪問(wèn)。可以看到，主設(shè)備的5萬(wàn)次訪問(wèn)，在經(jīng)過(guò)SMMU后，產(chǎn)生了近5萬(wàn)次未命中。這意味著訪問(wèn)的平均延遲等于訪存延遲，150ns以上。另一方面，處理器開了虛擬機(jī)后，它的隨機(jī)訪存效率，和未開虛擬機(jī)比，卻能做到80%以上，這是為什么呢？答案很簡(jiǎn)單，處理器內(nèi)部的MMU，會(huì)把中間頁(yè)表的物理地址繼續(xù)發(fā)到二級(jí)或者三級(jí)緩存，利用緩存來(lái)減少平均延遲。而SMMU就沒(méi)有這么幸運(yùn)，在Arm先前的手機(jī)處理器參考設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有系統(tǒng)緩存。這種情況下，即使對(duì)于延遲不太敏感的主設(shè)備，比如圖形處理器，打開虛擬化也會(huì)造成性能損失，可能高達(dá)9%，這不是一個(gè)小數(shù)目。

 

怎么解決這個(gè)問(wèn)題？在Arm服務(wù)器以及下一代手機(jī)芯片參考設(shè)計(jì)中，會(huì)引入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)總線，而不是之前的crossbar結(jié)構(gòu)的一致性總線。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)總線的好處，主要是提升了頻率和帶寬，并且，在提供多核一致性的同時(shí)，也可以把系統(tǒng)緩存交給各個(gè)主設(shè)備使用。不需要緩存的主設(shè)備還是可以和以前一樣發(fā)出非緩存的的數(shù)據(jù)傳輸，避免額外占用緩存，引起頻繁的緩存替換；同時(shí)，SMMU可以把頁(yè)表和中間頁(yè)表項(xiàng)放在緩存，從而縮短延遲。

 

Arm的SMMU600還做了一點(diǎn)改進(jìn)，可以把TLB緩存貼近各個(gè)主設(shè)備做布局，在命中的情況下，一個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成翻譯；同時(shí)，把table walk緩存放到另一個(gè)地方，TLB緩存和table walk緩存通過(guò)內(nèi)部總線互聯(lián)。幾個(gè)主設(shè)備可以同時(shí)使用一個(gè)table walk緩存，減少面積，便于布線的同時(shí)，又不失效率。其結(jié)構(gòu)如下圖：

如果我們讀一下Arm的SMMU3.x協(xié)議，會(huì)發(fā)現(xiàn)它是支持雙向頁(yè)表維護(hù)信息廣播的，這意味著除了緩存數(shù)據(jù)一致性外，所有的主設(shè)備，只要遵循SMMU3.x協(xié)議，可以和處理器同時(shí)使用一張頁(yè)表。在輔助駕駛芯片設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要，把重要的加速器加入同一張頁(yè)表，可以避免軟件頁(yè)表更新操作，進(jìn)一步提高異構(gòu)計(jì)算的效率。不過(guò)就SMU600而言，它僅僅支持單向的廣播，接了SMU600的主設(shè)備，本身的緩存和頁(yè)表操作并不能廣播到處理器，反過(guò)來(lái)是可以的。

 

對(duì)于當(dāng)前的汽車芯片，如果沒(méi)有系統(tǒng)緩存，那如何減少設(shè)備虛擬化延遲呢？辦法也是有的。汽車的虛擬機(jī)應(yīng)用較為特殊，目前8個(gè)虛擬機(jī)足夠應(yīng)付所有的分屏和多系統(tǒng)需求，并且一旦分配，運(yùn)行階段無(wú)需反復(fù)刪除和生成。我們完全可以利用這點(diǎn)，把二階段的SMMU頁(yè)表變大，比如1GB，固定分配給某個(gè)虛擬機(jī)。這樣，設(shè)備在進(jìn)行二階段地址映射時(shí)，只需少數(shù)幾項(xiàng)TLB表項(xiàng)，就可以做到一直命中，極大降低延遲。需要注意的是，一旦把二階映射的物理空間分配給某設(shè)備，就不能再收回并分給其他設(shè)備。不然，多次回收后，就會(huì)出現(xiàn)物理地址離散化，無(wú)法找到連續(xù)的大物理地址了。

 

SMMU接受的是從主設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的物理地址，那它是怎么來(lái)區(qū)分虛擬機(jī)呢？靠的是同樣從主設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的vmid/streamid。如果主設(shè)備本身并不支持虛擬化，那就需要對(duì)它進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，讓軟件來(lái)寫入vmid/streamid。當(dāng)然，這個(gè)軟件必須運(yùn)行在hypervisor或者是secure monitor，不然會(huì)有安全漏洞。具體的做法，是在虛擬機(jī)切換的時(shí)候，hypervisor修改寄存器化的vmid/streamid，提供輸入給SMMU即可。如果訪問(wèn)時(shí)的id和預(yù)設(shè)的不符，SMMU會(huì)報(bào)異常給hypervisor。

 

如果主設(shè)備要實(shí)現(xiàn)硬件的方式支持虛擬化，那本身需要根據(jù)多組寄存器設(shè)置，主動(dòng)發(fā)出不同的vmid/streamid。為了對(duì)軟件兼容，可以把不同組按照4KB邊界分開，這樣在二階地址映射時(shí)，可以讓相同的實(shí)地址訪問(wèn)不同組的寄存器，而對(duì)驅(qū)動(dòng)透明。同時(shí)，對(duì)于內(nèi)部的資源也要做區(qū)分，不能讓數(shù)據(jù)互相影響。如果用到緩存，那緩存還必須對(duì)vmid敏感，相同地址不同vmid的情況，必須識(shí)別為未命中。

 

如果主設(shè)備本身不支持虛擬化，并且本身特別復(fù)雜，那還需要定制驅(qū)動(dòng)。以Arm的圖形處理器為例，到目前為止，硬件上還沒(méi)有正式支持虛擬化，如果軟件要支持，可能會(huì)有以下幾種方案：

 

假設(shè)我們用的Hypervisor是Xen，它運(yùn)行于Arm處理器的EL2，虛擬機(jī)運(yùn)行于EL0/1。正常的圖形處理器驅(qū)動(dòng)會(huì)分成用戶空間與核心空間兩部分。要實(shí)現(xiàn)虛擬化，時(shí)分復(fù)用圖形處理器，Xen上本身不可能跑驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槟壳膀?qū)動(dòng)只支持Linux。所以就只能讓虛擬機(jī)來(lái)跑原先的驅(qū)動(dòng)，而沒(méi)有辦法在hypervisor上再運(yùn)行一個(gè)驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)控制。同時(shí)，重映射圖形處理器在CPU上的二階段地址，讓寄存器訪問(wèn)和數(shù)據(jù)通路處于‘穿透’的模式，不引起異常，提高效率。相應(yīng)的，讓虛擬機(jī)直接訪問(wèn)寄存器，那訪問(wèn)控制就實(shí)現(xiàn)不了了。為了實(shí)現(xiàn)多虛擬機(jī)的調(diào)度，我們可以在hypervisor里面實(shí)現(xiàn)一個(gè)調(diào)度器，并且在核心態(tài)的驅(qū)動(dòng)部分開放接口，讓hypervisor可以主動(dòng)調(diào)度。示意圖如下：

這個(gè)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，改動(dòng)較少，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)論是Xen和KVM都可以適配。缺點(diǎn)是主動(dòng)權(quán)并不掌握在hypervisor，如果某個(gè)虛擬機(jī)上渲染任務(wù)過(guò)于繁重，一直不把控制權(quán)交給調(diào)度器，那只有強(qiáng)制重啟。另一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是，無(wú)法在圖形處理器同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)虛擬機(jī)上的任務(wù)。這就需要另一種虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，如下圖：

在這種實(shí)現(xiàn)下，虛擬機(jī)里只跑驅(qū)動(dòng)的用戶空間，所有涉及核心空間的調(diào)用全都扔到Hypervisor。這要求hypervisor本身是Linux，只有KVM符合這個(gè)要求。Arm的Mali圖形處理器，硬件上是支持指定某個(gè)渲染核心跑特定任務(wù)的，也就是可以把某個(gè)虛擬機(jī)的任務(wù)運(yùn)行在特定渲染核心的。這樣，如果有實(shí)時(shí)性的操縱系統(tǒng)要跑，比如儀表盤，可以保留出一個(gè)核來(lái)，不被其他虛擬機(jī)搶占，來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度的QoS。此時(shí)，圖形處理器是真正同時(shí)跑兩個(gè)虛擬機(jī)任務(wù)的，而不是時(shí)分復(fù)用。至于輸出的frame buffer，不同的任務(wù)是可以放到不同物理地址的，只是沒(méi)法區(qū)分SteamID，沒(méi)法做隔離。

 

Arm支持硬件虛擬化的圖形處理器估計(jì)還要一年才會(huì)出來(lái)。具體到細(xì)節(jié)，虛擬化除了需要寄存器分組，緩存對(duì)vmid敏感之外，通用的一些單元也需要支持分組。

            關(guān)于虛擬機(jī)的效率，還有兩點(diǎn)需要注意：

 

Arm現(xiàn)有的中斷控制器GIC600，受限于GICv3.x協(xié)議，是沒(méi)有辦法繞過(guò)hypervisor，直接把虛擬中斷送到Guest OS的。外部中斷送進(jìn)來(lái)，還是得經(jīng)由hypervisor權(quán)限設(shè)置寄存器，產(chǎn)生一個(gè)虛擬中斷到Guest OS。中斷直接送到Guest OS要到GICv4才會(huì)改進(jìn)。

 

Armv8.1及之后的CPU，都支持一個(gè)叫VHE的機(jī)制，可以加速2型虛擬機(jī)的切換。具體原理是，KVM等2型虛擬機(jī)，Hypervisor就在Linux核心里面，而Linux需要完整的2階3/4層頁(yè)表。另外一方面，Armv8.1之前的處理器EL2沒(méi)有對(duì)應(yīng)的頁(yè)表。如果沒(méi)有VHE，那這個(gè)Hypervisor必須把一部分駐留在EL2做高權(quán)限操作，而Host Linux還是運(yùn)行在EL1。這樣，很多操作需要從EL1陷入EL2，改完再回到EL1的Linux核心，多了一層跳轉(zhuǎn)。有了VHE，那么Host Linux核心直接運(yùn)行在EL2，可以操作EL1的4層頁(yè)表的頁(yè)表寄存器，軟件上不用做修改。硬件上，這些訪問(wèn)會(huì)被重定向到EL2，以保證權(quán)限。

 

對(duì)于1型虛擬機(jī)，比如Xen，這個(gè)改動(dòng)沒(méi)有影響。這里我們要提一下QNX的虛擬機(jī)，它是1型虛擬機(jī)。QNX是目前唯一一個(gè)能達(dá)到Asil-D等級(jí)的操作系統(tǒng)（包含Hypervisor）。如果需要實(shí)現(xiàn)Asil-D級(jí)別的系統(tǒng)，必須把現(xiàn)有的軟件從Linux系統(tǒng)移植到QNX。所幸的是，QNX也是符合Posix標(biāo)準(zhǔn)的，尤其是圖形處理器的驅(qū)動(dòng)，移植起來(lái)會(huì)省事一些。QNX不是所有的模塊都是Asil-D級(jí)，移植過(guò)去的驅(qū)動(dòng)，其實(shí)是沒(méi)有安全等級(jí)的。QNX依靠Asil-D級(jí)的核心軟件模塊和Hypervisor，保證99%以上的失效覆蓋率。如果子模塊出了問(wèn)題，那只能重啟子模塊。

 

前面說(shuō)到，有些廠商認(rèn)為虛擬化還不夠，有些場(chǎng)景要物理隔離。虛擬化的時(shí)候，硬件資源還是共享的，只不過(guò)對(duì)軟件是透明。這樣其實(shí)并不能完全防止硬件的沖突和保證優(yōu)先級(jí)。請(qǐng)注意，硬件隔離是separation，而不是分區(qū)partition，Partition是用MPU來(lái)做的。在中控的系統(tǒng)框架圖內(nèi)，我們把采用物理隔離的紅色部分單獨(dú)列出來(lái)，如下圖：

 

此時(shí)的處理器A55和圖形處理器G31，獨(dú)立于作為信息娛樂(lè)域的處理器A76/A55和圖形處理器G76之外，擁有自己的電源，時(shí)鐘和電壓。作為優(yōu)化，紅色部分可以和其余的處理器用一致性總線連接起來(lái)，在不作為儀表盤應(yīng)用的時(shí)候，作為SMP的一部分來(lái)使用。而需要隔離的時(shí)候，用多路選擇連接到NoC或者內(nèi)存控制器。這樣既節(jié)省了面積，又實(shí)現(xiàn)了隔離。

 

同樣的，圖形處理器也有物理隔離的需求。實(shí)現(xiàn)其實(shí)并不復(fù)雜，比支持硬件虛擬化要直接，如下圖：

由于圖形處理器面積最大的是渲染核心SC，這部分不動(dòng)。其余的硬件模塊，每組核都復(fù)制一份，組和組之間用內(nèi)部總線ASN互聯(lián)。當(dāng)拆成多個(gè)圖形處理器的時(shí)候，每個(gè)冗余模塊分別控制自己的資源。此時(shí)，每組GPU需要獨(dú)立運(yùn)行一個(gè)驅(qū)動(dòng)。而把所有資源融合運(yùn)行的時(shí)候，冗余的部分自動(dòng)關(guān)閉，由一個(gè)模塊集中調(diào)度。此時(shí)，某些公用資源可能會(huì)遇到性能瓶頸，但汽車通常只會(huì)要求物理隔離兩個(gè)組，分別給儀表盤和信息娛樂(lè)，并且儀表盤所需資源較少，融合的時(shí)候，可以啟用信息娛樂(lè)的共享單元，從而避免瓶頸。對(duì)于系統(tǒng)中其余的主設(shè)備，也可以利用類似的設(shè)計(jì)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。

 

有了同時(shí)支持虛擬化和硬件隔離的圖形處理器，我們的中控芯片構(gòu)架會(huì)有如下改動(dòng)：

此時(shí)圖形處理器的物理隔離和硬件虛擬化可以同時(shí)啟用，跑多份驅(qū)動(dòng)，滿足前文的需求。

 

至此，虛擬化和隔離結(jié)束，開始討論車規(guī)。

 

目前我們說(shuō)的車規(guī)分兩個(gè)，功能安全和電氣標(biāo)準(zhǔn)。前者由ISO26262定義，后者由AEC-Q100定義。

 

功能安全在芯片上的設(shè)計(jì)原則是要盡可能多的找出芯片上的失效場(chǎng)景并糾正。失效又分為系統(tǒng)和隨機(jī)兩種，前者依靠設(shè)計(jì)時(shí)的流程規(guī)范來(lái)保證，后者依賴于芯片設(shè)計(jì)上采取的種種失效探測(cè)機(jī)制來(lái)保證。我們?cè)谶@主要談后者。

 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，芯片的失效率，是基于單個(gè)晶體管在某個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的失效概率，推導(dǎo)出片上邏輯或者內(nèi)存的失效概率。面積越大，晶體管越多，相應(yīng)的失效率越大。ISO26262把安全等級(jí)做了劃分，常見的有ASIL-B和ASIL-D級(jí)。ASIL-B要求芯片能夠覆蓋90%的單點(diǎn)失效場(chǎng)景，而ASIL-D則是99%。這其實(shí)是個(gè)非常高的要求。一個(gè)晶體管的失效概率雖低，可是通常一個(gè)復(fù)雜芯片是上億個(gè)晶體管組成的，如果不采取任何措施，那任何一點(diǎn)的錯(cuò)誤都可能造成功能失效，失效率很高。

 

ISO26262手冊(cè)第五篇的附件D，詳細(xì)描述了硬件失效的探測(cè)手段。在這部分，硬件系統(tǒng)被分為幾個(gè)模塊：輸入端有傳感器，連接件，中繼，數(shù)模接口；處理部分包含處理單元，各類內(nèi)存閃存。系統(tǒng)層面有總線，電源和時(shí)鐘。系統(tǒng)框架如下圖：

針對(duì)每一單元，ISO26262手冊(cè)定義了一些方法，來(lái)檢測(cè)這些單元是否失效，并給出每一種方法的可靠度。比如傳輸線，可以有校驗(yàn)碼，超時(shí)，計(jì)數(shù)器，發(fā)送測(cè)試向量等。再比如處理單元，可以使用軟硬件自檢，冗余加比較，額外硬件模塊監(jiān)測(cè)等方法。這些方法并不能簡(jiǎn)單的應(yīng)用于芯片功能安全設(shè)計(jì)。那芯片上怎么辦？我們采用自底向上的方法，先從晶體管開始分析，再到IP模塊級(jí)，然后到芯片系統(tǒng)級(jí)，再討論幾個(gè)典型場(chǎng)景，最后自頂向下分析。

 

在芯片的隨機(jī)錯(cuò)誤中，有一類是永久錯(cuò)誤，比如邏輯或者片上內(nèi)存的某一位一直粘在0或者1，或者干脆短路及斷路。對(duì)于這一類錯(cuò)誤，在芯片封測(cè)的時(shí)候，我們可以使用邊界掃描和MBIST來(lái)發(fā)現(xiàn)壞掉的晶體管。這樣，問(wèn)題就轉(zhuǎn)換為怎樣提高DFT的覆蓋率。這一塊，業(yè)界已經(jīng)有成熟的方法了。

 

僅僅有出廠測(cè)試是不夠的，晶體管會(huì)在使用過(guò)程中慢慢老化損壞。因此，我們需要在每次開機(jī)的時(shí)候都進(jìn)行自檢，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下出錯(cuò)的可能。此時(shí)，我們需要使用LBIST和MBIST。其原理和出廠測(cè)試很像，也是利用掃描鏈，不同的是芯片里需要LBIST/MBIST控制器，用來(lái)運(yùn)行測(cè)試向量和模板。自然，這會(huì)引入額外的成本。覆蓋率越高，成本相應(yīng)越大。

 

有了LBIST/MBIST也還不夠，我們需要在晶體管失效發(fā)生后幾個(gè)時(shí)鐘周期就探測(cè)到錯(cuò)誤，而不是開機(jī)時(shí)候發(fā)現(xiàn)。對(duì)于邏輯來(lái)說(shuō)，為了做到這點(diǎn)，最直接的方法莫過(guò)于采用冗余設(shè)計(jì)，也就是把邏輯復(fù)制一份，然后用硬件比較器比較輸出。通常這被稱為鎖步設(shè)計(jì)（Lock-Step）。理論上，對(duì)于有限狀態(tài)機(jī)，只要輸入一致，時(shí)鐘周期一致，輸出一定一致。通常數(shù)字部分不存在真隨機(jī)單元，哪怕是緩存替換算法，也是偽隨機(jī)的，所以上述條件可以滿足。冗余的結(jié)果是邏輯面積增加一倍，比較器也會(huì)引入一些額外的面積開銷和時(shí)序影響。

這么簡(jiǎn)單就實(shí)現(xiàn)了功能安全？并沒(méi)有，有幾個(gè)問(wèn)題需要解決：

 

第一個(gè)問(wèn)題是，比較器到底比哪些信號(hào)？以處理器為例，如果我們只是在對(duì)總線的接口上增加比較器，芯片內(nèi)部的很多模塊，比如寫緩沖，并不能在較短且確定的時(shí)間內(nèi)把影響傳遞到對(duì)外接口，被比較器發(fā)現(xiàn)。此時(shí)，處理器可能是處于失效狀態(tài)而并沒(méi)有被探測(cè)出來(lái)。那我們就不能說(shuō)當(dāng)前冗余機(jī)制能覆蓋此類失效。為此，我們需要把比較器連到內(nèi)部子模塊接口處，并且分析是不是能在較短時(shí)間內(nèi)看到影響。這需要在設(shè)計(jì)階段就考慮，具體做法如下圖：

對(duì)于任何一個(gè)寄存器，一定可以找到影響它的組合邏輯和上一級(jí)寄存器。在這條通路上任何一位出了問(wèn)題，那么在一個(gè)時(shí)鐘周期后，我們就可以看到寄存器輸出與其冗余的模塊產(chǎn)生不一致。把這個(gè)節(jié)點(diǎn)記為1，然后再以1的輸入寄存器為新起點(diǎn)，找到節(jié)點(diǎn)2。依次類推，我們可以往前找出一條沒(méi)有循環(huán)的通路，這條通路上的任何一點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題，在確定的較短時(shí)間內(nèi)，一定會(huì)在最終輸出上反應(yīng)出來(lái)。我們把這個(gè)通路記為模塊X。通過(guò)一定的EDA工具，我們可以在芯片內(nèi)找出若干個(gè)模塊X，如下圖的例子：

 

這里，IP模塊被劃為存取單元（A門），標(biāo)志單元（B門），計(jì)算單元（C門）和寄存器組（D門）。從輸出端看，于上一級(jí)寄存器間連線所覆蓋的組合邏輯為門數(shù)，一個(gè)寄存器算10個(gè)門。如上圖，存取單元的地址寄存器輸出受24個(gè)組合邏輯門外加2個(gè)寄存器的影響，那共存在44種單點(diǎn)錯(cuò)誤會(huì)引起失效。依此類推，寄存器組的1號(hào)輸出，受28個(gè)門影響，而2號(hào)受49個(gè)門影響。加起來(lái)總共121種可能。簡(jiǎn)單計(jì)算可知，存取單元失效率44/121=36.4%，寄存器組合計(jì)77/121=63.6%。是其中有些門被統(tǒng)計(jì)了多次，比如圖中的G1，這一點(diǎn)會(huì)反映在總的概率里面。

 

基于上述的思想，我們來(lái)看處理器是怎么做的。在EDA工具的幫助下，我們將它劃分為幾個(gè)大模塊：內(nèi)存管理單元，寫緩沖，取指單元，數(shù)據(jù)處理單元，程序追蹤緩沖， 數(shù)據(jù)/指令緩存，總線接口單元, 時(shí)鐘和重置控制單元, ECC/奇偶校驗(yàn)控制單元, 中斷接口, 監(jiān)聽控制單元。此處，我們沒(méi)有把片上內(nèi)存包含進(jìn)去，即使是討論緩存，也指的是控制邏輯部分。

 

每一個(gè)單元內(nèi)，又可以細(xì)分成很多子模塊。以數(shù)據(jù)處理單元為例， 又分為通用寄存器組，存取單元，浮點(diǎn)單元，浮點(diǎn)寄存器組，解碼單元，調(diào)試單元，控制信號(hào)單元，系統(tǒng)寄存器組，分支執(zhí)行單元等。每一個(gè)子單元又可以再一次細(xì)分。細(xì)分的目的是判斷在晶體管失效時(shí)，受其影響的寄存器是不是會(huì)失效，并且這個(gè)失效能被外部比較器探測(cè)到。這就需要把內(nèi)部信號(hào)拉到外面。那到底怎么決定哪些信號(hào)拉出去哪些不拉？覆蓋率是不是足夠？工具給的節(jié)點(diǎn)和模塊信息只能作為參考，設(shè)計(jì)人員還是要一個(gè)個(gè)檢查來(lái)做最后決定。通常會(huì)有很多信號(hào)被拉出來(lái)，比如Cortex-R5，20多萬(wàn)門的邏輯，最終送到比較器的信號(hào)數(shù)達(dá)2000多個(gè)，平均每100門就有一個(gè)信號(hào)。

 

在芯片過(guò)認(rèn)證的時(shí)候，如果IP本身沒(méi)有過(guò)經(jīng)過(guò)認(rèn)證，或者以前沒(méi)有被廣泛采用，認(rèn)證機(jī)構(gòu)可能會(huì)需要一條條的和芯片公司討論，看看連出來(lái)的的管腳是不是能提供足夠的失效檢測(cè)覆蓋率。通常這些設(shè)計(jì)相關(guān)的信息，IP公司并不會(huì)提供給芯片公司，所以認(rèn)證公司可能會(huì)要和IP設(shè)計(jì)公司拿這些信息，導(dǎo)致更長(zhǎng)的認(rèn)證時(shí)間。相應(yīng)的，如果是廣泛使用的IP模塊，這個(gè)時(shí)間可以縮短。

解決了冗余設(shè)計(jì)覆蓋率的問(wèn)題，還有第二個(gè)問(wèn)題。如果遭受電磁沖擊或者射線影響，即使用了冗余設(shè)計(jì)，也可能兩個(gè)模塊同一時(shí)間產(chǎn)生一樣的錯(cuò)誤。這個(gè)比較容易處理，只要把兩個(gè)同樣的邏輯，輸入錯(cuò)開幾拍就可以。在輸出的時(shí)候，錯(cuò)開相同的拍數(shù)，使得比較器還是看到相同的結(jié)果。

 

第三個(gè)問(wèn)題，復(fù)制了一份邏輯，并且比較器發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，能把他糾正過(guò)來(lái)嗎？很可惜，不能。除非復(fù)制兩分邏輯，三個(gè)同時(shí)比較。這樣的代價(jià)就是再增加原先100%的邏輯部分面積，對(duì)于大的處理器設(shè)計(jì)，基本沒(méi)人這么做。如果是小的處理邏輯，比如看門狗電路，倒是可以。

 

第四，邏輯比較器本身，也是可能出錯(cuò)的。這類錯(cuò)誤已經(jīng)被ISO26262定義，也就是所謂的潛藏錯(cuò)誤Latent Fault。如果發(fā)現(xiàn)比較器本身的失效覆蓋率不夠，那同樣可以對(duì)比較器采用冗余設(shè)計(jì)，做比較器的比較器，提高它的覆蓋率。對(duì)于Asil-D來(lái)說(shuō)，潛藏錯(cuò)誤覆蓋率需要達(dá)到90%，而Asil-B是60%。

 

以上都是對(duì)于邏輯錯(cuò)誤的分析。還有一類是內(nèi)存錯(cuò)誤。這里內(nèi)存指的是片上內(nèi)存，也包含嵌入式閃存。內(nèi)存的錯(cuò)誤比較容易發(fā)現(xiàn)，通常ECC就可以做到99%覆蓋率，1位糾正多位報(bào)錯(cuò)。有些內(nèi)存，比如一級(jí)指令緩存，只支持奇偶校驗(yàn)，不支持糾正。

 

對(duì)于邏輯的冗余和內(nèi)存的ECC，為了驗(yàn)證探測(cè)機(jī)制本身是不是能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，芯片里面需要加入錯(cuò)誤注入。請(qǐng)注意，錯(cuò)誤注入機(jī)制本身并不是為了驗(yàn)證芯片里單點(diǎn)錯(cuò)誤失效和多點(diǎn)錯(cuò)誤失效率，只是為了驗(yàn)證錯(cuò)誤探測(cè)機(jī)制。

 

綜上所述，邏輯冗余和內(nèi)存ECC是幫助我們達(dá)到Asil-B/D等級(jí)的必要手段。沒(méi)有冗余設(shè)計(jì)的時(shí)候，把一個(gè)程序在一個(gè)核上運(yùn)行兩遍，然后比較結(jié)果，也是一種通向高等級(jí)安全的辦法，但僅僅適用于簡(jiǎn)單的，實(shí)時(shí)性要求不高的運(yùn)算。如果存在永久錯(cuò)誤，這個(gè)方法就會(huì)失效。同樣，用兩個(gè)非冗余處理器同時(shí)做相同運(yùn)算，也是一種方法。但如果計(jì)算很復(fù)雜，這樣做不但會(huì)增加系統(tǒng)延遲和帶寬，成本也并不低。

 

上述兩種方法并不能從本質(zhì)上改善安全等級(jí)，如果最終安全等級(jí)需要Asil-D，這兩種方法會(huì)要求拆解后也得達(dá)到Asil-B。而Asil-B的單點(diǎn)90%覆蓋率，不用冗余機(jī)制同樣很難達(dá)到。還有一種方法，單路計(jì)算，另一路判斷其結(jié)果是不是合理。作為監(jiān)測(cè)的這一路提高到Asil-D。這只有在特定場(chǎng)景才有可能應(yīng)用，我們后面會(huì)討論到。

 

綜上所述，要做通用的Asil-B/D，最好從設(shè)計(jì)開始就使用邏輯冗余和內(nèi)存ECC。

 

實(shí)際設(shè)計(jì)中，特別是對(duì)于處理器，在冗余設(shè)計(jì)之外，還有一套錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)和糾正機(jī)制。Arm把它稱作RAS （Reliability，Availability，Serviceability）。RAS并不能代替冗余設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)Asilb-B/D，畢竟它的覆蓋率太低。但有些場(chǎng)景，比如ECC報(bào)錯(cuò)，指令報(bào)錯(cuò)，這套機(jī)制可以在不重啟核心的情況下糾正錯(cuò)誤，或者阻止錯(cuò)誤在糾正前被擴(kuò)散（Data Poisoning），又或者記錄下錯(cuò)誤時(shí)的上下文。這是它的優(yōu)點(diǎn)，在沒(méi)有冗余設(shè)計(jì)的芯片里也是有一些用處的。

 

讓我們結(jié)合ISO26262文檔，來(lái)看看Arm的面向汽車應(yīng)用的IP是怎么實(shí)現(xiàn)高等級(jí)功能安全的。

上面是A76AE配置圖，也就是面向汽車的A76，它引入了Split-Lock的設(shè)計(jì)。正常情況下，可以當(dāng)4核SMP用，在冗余模式下，核心內(nèi)所有的邏輯和內(nèi)存都復(fù)制兩份，互為備份。這兩種模式需要重啟來(lái)進(jìn)行切換，不能動(dòng)態(tài)切換，對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠。核心內(nèi)部添加的比較器，約占5%的面積，頻率也會(huì)有5%左右的損失。

新的A76AE是Armv8.2架構(gòu)，如上圖所示，一個(gè)處理器組之內(nèi)，包含了DSU做三級(jí)緩存和內(nèi)部互聯(lián)。和核心部分不同，這里采用的是傳統(tǒng)的鎖步模式，只復(fù)制邏輯，內(nèi)存還是一份。省了大面積的緩存開銷。通常DSU里面邏輯只占很小一部分，并且面積利用率還很低，所以最終額外的面積并不大，15%左右。

 

Arm還有一個(gè)支持汽車Asil-D等級(jí)的處理器A65AE，可以作為小核，放在不同的處理器組，并和大核通過(guò)CMN600AE總線互聯(lián)，提供高能效比的異構(gòu)計(jì)算。A65AE支持單核雙線程，通過(guò)增加一個(gè)寄存器組，使得兩個(gè)軟件線程可以在一個(gè)物理核上共享流水線，并且對(duì)軟件透明。這其實(shí)最初來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)處理器的需求，執(zhí)行單元經(jīng)常等待高延遲的讀傳輸。為了提高流水線利用率，A65AE增加了5%左右的硬件寄存器，提高了20%左右的總性能。

 

下圖是輔助駕駛芯片里A76AE和A65AE的各種組合。在汽車上，尤其是在輔助駕駛的領(lǐng)域，同樣存在同時(shí)需要大小核的場(chǎng)景：大核跑決策，單線程性能要求高；小核跑計(jì)算，能效比要求高。

接下來(lái)看看Arm新的實(shí)時(shí)處理器Cortex-R52，通常它被當(dāng)作安全島來(lái)使用，是整個(gè)芯片的安全設(shè)計(jì)基石。在R52上，各種安全機(jī)制均有所體現(xiàn)，包括鎖步，實(shí)時(shí)虛擬化，地址隔離，內(nèi)存ECC，總線ECC，在線MBIST，LBIST，在線軟件測(cè)試庫(kù)，RAS，如下圖所示：



R52的同時(shí)支持鎖步和Split-Lock模式。鎖步模式下，只有一個(gè)核，冗余部分僅僅復(fù)制邏輯，不復(fù)制內(nèi)存，邏輯就是額外的成本，沒(méi)法省掉。Split-Lock模式，配置完整的兩套核，包括邏輯與內(nèi)存，平時(shí)作為Split模式使用，相當(dāng)于兩個(gè)AMP，在進(jìn)入Lock模式時(shí)，其中一套的內(nèi)存不起作用。此外，由于采用的是MPU的虛擬化，地址并沒(méi)有重映射，只是多了一層訪問(wèn)檢查。這也就意味著地址對(duì)軟件不透明，不同的虛擬機(jī)可以看到別人的地址，只不過(guò)沒(méi)法訪問(wèn)。

 

R52的最大亮點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)虛擬化，這是為了軟件達(dá)到更高的安全等級(jí)而準(zhǔn)備的。和A系列基于MMU的虛擬化不同，它是在原來(lái)的EL1 MPU基礎(chǔ)上，添加了EL2 2MPU。同時(shí)，為了保證R系列的實(shí)時(shí)性，避免我們前文提到的SMMU訪內(nèi)延遲極大增加的問(wèn)題，R52沒(méi)有采用內(nèi)存映射，也不轉(zhuǎn)換地址，而是用片上內(nèi)存，做兩層的權(quán)限檢查。用戶可以指定幾十個(gè)區(qū)域，顆粒度可以不同，但是沒(méi)法做到頁(yè)表那么多的條數(shù)。在R52上，由于沒(méi)有A系列的EL3，安全啟動(dòng)就需要先進(jìn)入EL2，然后再建立信任鏈，流程和A系列類似。

 

另一個(gè)重要的安全設(shè)計(jì)是支持在線的MBIST和SBIST。在線MBIST原理并不復(fù)雜，它在片上內(nèi)存接口前添加控制邏輯，不斷探測(cè)是不是有處理器那邊發(fā)過(guò)來(lái)的傳輸。如果沒(méi)有，那就趁空閑時(shí)間讀寫內(nèi)存并做測(cè)試。SBIST就是針對(duì)處理器IP的在線軟件測(cè)試。我們可以把這個(gè)測(cè)試運(yùn)行在某個(gè)虛擬機(jī)上，通過(guò)中斷來(lái)周期性的切換，花5%的時(shí)間來(lái)不停檢測(cè)硬件。當(dāng)然，必須把虛擬機(jī)切軟硬件換時(shí)間保證在較小范圍內(nèi)，不影響實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度。

 

這兩種在線測(cè)試，可以作為開機(jī)自檢的補(bǔ)充，也可以作為在鎖步/ECC機(jī)制但點(diǎn)錯(cuò)誤覆蓋率不夠時(shí)的補(bǔ)充，更可以作為發(fā)現(xiàn)潛藏錯(cuò)誤的補(bǔ)充。但是在高等級(jí)的安全設(shè)計(jì)中，尤其是在安全島的設(shè)計(jì)里，僅僅靠這兩種在線測(cè)試發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)錯(cuò)誤還是不夠的，也只能作為補(bǔ)充。

 

其他方面，R52還對(duì)MPU編程做了優(yōu)化，不是像以前需要針對(duì)一個(gè)CP15寄存器填，填完再用內(nèi)存壁壘指令確保寫入次序?，F(xiàn)在采用多組寄存器方式，基本20-30時(shí)鐘周期就可以完成虛擬機(jī)切換的寄存器編程。此外中斷寄存器放到了cluster內(nèi)部，不用再通過(guò)AXI口出去，減少一些延遲。

 

再來(lái)看看中斷控制器GIC600AE。以AE結(jié)尾的IP表示在原有的基礎(chǔ)上做了功能安全設(shè)計(jì)，可以支持到Asil-D。GIC600AE結(jié)構(gòu)如下圖：

和處理器一樣，GIC600AE的邏輯部分是靠鎖步來(lái)支持Asil-B/D，內(nèi)存部分是ECC。不同的是，不像處理器是一個(gè)單一硬核，GIC600AE是一個(gè)分布式的結(jié)構(gòu)，布局布線可以分開，只是在中心有個(gè)分配器（Distributor）。每個(gè)處理器附近的子分配器（Redistributor）和分配器之間，就需要安全總線協(xié)議設(shè)計(jì)，這就是新的AMBA點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能安全擴(kuò)展：


可以看到的是，各類AMBA的地址和數(shù)據(jù)線，接口上均添加了奇偶校驗(yàn)，這也是ISO26262所要求的傳輸線安全措施之一；對(duì)于重置和時(shí)鐘，P/Q通道等信號(hào)，大多采用復(fù)制的方式來(lái)保護(hù)；而對(duì)于AXIS端口，則采用負(fù)載加上CRC的方法，免去添加管腳。由于中斷控制器不像處理器，可以有中斷系統(tǒng)來(lái)處理各類錯(cuò)誤和失效，因此GIC600AE在分配器中添加了一個(gè)錯(cuò)誤管理單元，可以把我們所提及的各類錯(cuò)誤做集中管理，記錄并上報(bào)。此外，在分配器與子分配器之間，GIC600AE還添加了看門狗，防止超時(shí)未響應(yīng)。

 

由于目前GIC600AE還比較新，對(duì)于一些老的設(shè)計(jì)，可能并沒(méi)有與之匹配的中斷控制器可用。這種情況下，就只能把和安全相關(guān)的工作用輪詢來(lái)完成，避免走中斷通道。輪詢的對(duì)象可以是一段ECC保護(hù)的內(nèi)存，也可以是有冗余設(shè)計(jì)的硬件鎖或者外置exclusive monitor。

 

MMU600AE也是類似的安全設(shè)計(jì)，在此我們不深入討論。對(duì)于Coresight這樣的片上調(diào)試系統(tǒng)，由于本身并不涉及安全，它的錯(cuò)誤被稱作safe fault，不計(jì)入考慮范圍。 我們接下去看看CMN600AE。

 

CMN600是Arm服務(wù)器總線IP，它最大的特點(diǎn)是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)外支持AMBA CHI接口，內(nèi)部改用路由結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并提供硬件一致性和系統(tǒng)緩存，還支持多芯片互聯(lián)。CMN600在T16FFC上可以做到2Ghz，極大的拓展了帶寬，非常適合ADAS這類有大量異構(gòu)計(jì)算的應(yīng)用。

CMN600AE做了功能安全設(shè)計(jì)，引入了完整的端到端的失效探測(cè)機(jī)制。如上圖，整個(gè)總線被分成三類模塊，主設(shè)備，總線，從設(shè)備。主設(shè)備與總線，總線與從設(shè)備之間，總線內(nèi)部，會(huì)有錯(cuò)誤探測(cè)編碼，也就是EDC。各處的EDC策略可以是不同的。


這是主設(shè)備與總線，總線與從設(shè)備接口處的EDC，和GCI600AE的有些相似，只不過(guò)更全。對(duì)于一些控制類信號(hào)，采用復(fù)制的方法，有時(shí)候把兩根線正負(fù)反轉(zhuǎn)；對(duì)于數(shù)據(jù)線和地址線，采取添加奇偶位的做法。

 

在總線內(nèi)部，由于網(wǎng)狀總線的特點(diǎn)是把傳輸轉(zhuǎn)成管腳更少的包FLIT傳輸，所以在每個(gè)包后面，加了CRC-8數(shù)據(jù)作為校驗(yàn)，而不是添加管腳。對(duì)于總線處理模塊，仍舊采用邏輯鎖步和內(nèi)存ECC來(lái)做安全設(shè)計(jì)。此外，CMN600在傳輸上加了計(jì)數(shù)器，如果從設(shè)備端超時(shí)不響應(yīng)，那就報(bào)異常。

 

除了鎖步，ECC和傳輸線保護(hù)，有一類IP模塊設(shè)計(jì)，可以使用簡(jiǎn)單一些的方法，來(lái)達(dá)到一定的安全等級(jí)。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的圖像信號(hào)處理單元，從前到后，流水分別是Raw域，RGB域，YUV域，每個(gè)域都包含了各自的子模塊。模塊之間，包括到DDR的傳輸，使用傳輸線安全設(shè)計(jì)。而子模塊內(nèi)部，如果輸出結(jié)果是單調(diào)遞增，單調(diào)遞減或者在某一區(qū)域內(nèi)的，就可以用帶冗余的簡(jiǎn)單邏輯做硬件監(jiān)控，來(lái)實(shí)現(xiàn)Asil-B/D等級(jí)。

我們?nèi)?/span>RGB域上的Local Tome Mapping為例。Local Tome Mapping的本意是，對(duì)于高動(dòng)態(tài)HDR或者標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍SDR的圖，可以把局部的亮度調(diào)整到一個(gè)合適范圍內(nèi)，效果如下圖?；谶@個(gè)假設(shè)，我們可以寫簡(jiǎn)單邏輯，看某個(gè)區(qū)域的像素是不是顏色保持不變，而亮度和原來(lái)比有合理提高。這個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯，可以使用鎖步來(lái)確保高等級(jí)功能安全。根據(jù)功能安全的功能分解原則，Asil-D可以分解為Asil-D的監(jiān)控模塊和QM的功能模塊，這樣，還是能保證整個(gè)Local Tome Mapping子模塊的高安全等級(jí)。

以上是IP模塊級(jí)別對(duì)于安全設(shè)計(jì)的考量，接下來(lái)我們談下模塊級(jí)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。

 

所謂實(shí)時(shí)性，是在一個(gè)確定的，比較小的時(shí)間內(nèi)處理完任務(wù)。很多時(shí)候，我們其實(shí)并不是真的需要實(shí)時(shí)性，而只是需要一個(gè)比較高的平均性能。Arm的R系列專門為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)：確定的幾十ns的中斷響應(yīng)時(shí)間；緊耦合內(nèi)存保證流水線在一個(gè)時(shí)鐘周期就能訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；內(nèi)部總線具有QoS保證優(yōu)先級(jí)；不存在頁(yè)表，MPU做在核心內(nèi)部，無(wú)需外部訪問(wèn)。真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景可能并不需要納秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，哪怕是馬達(dá)控制，系統(tǒng)響應(yīng)在毫秒級(jí)也足夠了。而毫秒與納秒差了1百萬(wàn)倍。這就給了Arm的A系列機(jī)會(huì)。

 

A系列最大的不確定性來(lái)自于訪問(wèn)外部?jī)?nèi)存時(shí)的延遲。我們前面在討論虛擬機(jī)的時(shí)候分析過(guò)，最差情況下，一次頁(yè)表讀取，可能需要20倍的訪存時(shí)間，差不多是3us。為了使A系列有可能用于實(shí)時(shí)性任務(wù)，軟件上的優(yōu)化是必須的，包括虛擬機(jī)上下文切換等。硬件上，可以縮短特權(quán)級(jí)切換時(shí)間，也可以采取固定分配來(lái)提高頁(yè)表查找命中率，還可以固定分配某塊緩存或者片上內(nèi)存給某處理器。方法很多，不一一列出。

 

以上的優(yōu)化可以減少單個(gè)處理單元的延遲。但是復(fù)雜系統(tǒng)里有很多主設(shè)備，它們之間共享內(nèi)存和其他從設(shè)備，是有可能產(chǎn)生阻塞和死鎖的。死鎖可以在設(shè)計(jì)流程過(guò)程中通過(guò)充分的驗(yàn)證來(lái)發(fā)現(xiàn)，而阻塞就得靠?jī)?yōu)先級(jí)QoS設(shè)計(jì)來(lái)避免了。下面我們看看CMN600AE是如何處理的。

 

實(shí)時(shí)處理最簡(jiǎn)單的方案是給傳輸分優(yōu)先級(jí)。芯片中的總線和從設(shè)備根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)決定先后處理。但是僅僅采用優(yōu)先級(jí)會(huì)有個(gè)問(wèn)題，就是某些內(nèi)部資源，比如緩沖，表項(xiàng)已經(jīng)被低優(yōu)先級(jí)的傳輸占用了。此時(shí)如果來(lái)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的傳輸，由于之前的還沒(méi)有完成，就會(huì)出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)被低優(yōu)先級(jí)阻塞的情況。怎么辦？可以預(yù)先保留相應(yīng)的資源給高優(yōu)先級(jí)。

如上圖，在每個(gè)與主設(shè)備的接口處，都有一個(gè)QoS模塊，里面包含了一個(gè)優(yōu)先級(jí)定義，可以被軟件編程。這個(gè)優(yōu)先級(jí)會(huì)隨著傳輸?shù)娇偩€的每一個(gè)部分，每個(gè)部分都根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)給它相應(yīng)的資源。有時(shí)候，同樣高優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求過(guò)多，超過(guò)了系統(tǒng)資源的承受范圍。這時(shí)候，CMN600AE的內(nèi)部模塊，會(huì)告訴請(qǐng)求傳輸?shù)哪K重傳，并給它一個(gè)籌碼。每請(qǐng)求一次，籌碼加一。下次這個(gè)籌碼就會(huì)隨著新的請(qǐng)求一起傳過(guò)來(lái)，只要資源有空閑，那么擁有最高籌碼的請(qǐng)求將被允許。QoS模塊還負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)它所管理的傳輸，看看平均延遲是多少，傳輸間隔是多少，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級(jí)。

 

CMN600AE另一個(gè)很重要的特性是支持片間硬件一致性互聯(lián)。對(duì)于輔助駕駛芯片，當(dāng)面積大到一定程度，比如400mm^2@16nm，良率會(huì)迅速下跌。這時(shí)候，進(jìn)一步增加面積不是一個(gè)好的選擇。應(yīng)對(duì)的辦法是實(shí)現(xiàn)片間互聯(lián)，減少單個(gè)die的面積。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)高速的PHY本身也會(huì)引入相當(dāng)大的面積，TSMC16FFC上一個(gè)支持PCIe Gen4x16的PHY就要6個(gè)平方毫米，相當(dāng)于四核A55加DSU，這里需要做好取舍。片間互聯(lián)也會(huì)引入額外的片間延遲，可能會(huì)達(dá)到50ns。

如上圖，有了CMN600AE和片間互聯(lián)協(xié)議CML，我們就可以把MMU600AE和GIC600AE全部串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)片間虛擬化和中斷系統(tǒng)，對(duì)軟件完全透明。其中，MMU600AE訪存的實(shí)時(shí)性靠固定分配虛擬機(jī)，以及使用大頁(yè)表來(lái)保證，目的是消除頁(yè)表項(xiàng)的未命中。對(duì)于中斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，片內(nèi)的話使用傳統(tǒng)的SPI/PPI，問(wèn)題不大，片外的話，只能使用PCIe的消息中斷機(jī)制MSI了。支持消息中斷需要ITS表，類似于頁(yè)表，也存放在內(nèi)存中，也有類似緩存的設(shè)計(jì)。只要保證ITS緩存條目足夠多，映射的設(shè)備數(shù)量不太多，也是可以消除未命中，提高實(shí)時(shí)性的。

 

以上是關(guān)于保證實(shí)時(shí)性的一些考量。接著來(lái)看看AEC-Q100，和芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的是溫度和電壓。

 

溫度設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只要工藝允許，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和內(nèi)存單元支持，那只需在做后端時(shí)加入溫度限制條件即可。現(xiàn)在新的中控和輔助駕駛多用TSMC16FFC，可以支持-40C~150C的節(jié)溫，相當(dāng)于環(huán)境-40C~125C，其代價(jià)是犧牲一定的頻率和面積。

 

ESD測(cè)試是對(duì)接口的要求，包括2000V+的HBM和6A+的CDM。和封裝相關(guān)，也和芯片IO設(shè)計(jì)相關(guān)。和數(shù)字部分IP一樣，PHY和GPIO也需要使用IP來(lái)支持AEC-Q100。此處的GPIO指的是200Mhz以下的低速IO，包括但并不限于SPI/PWM/I2C等接口協(xié)議。

 

以GPIO為例，車載設(shè)備通常需要支持3.3V和1.8V。為了符合AEC-Q100，GPIO在設(shè)計(jì)時(shí)就能承受額外的電流，并分析各種情況，看看是不是每一條電路分支都能被覆蓋到。通常對(duì)于車用GPIO，僅僅用仿真來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠度還不夠，還必須真正流片，用測(cè)試芯片做HTOL/LTOL測(cè)試，不斷變化溫度，做滿2600小時(shí)。否則，會(huì)發(fā)生仿真通過(guò)但是測(cè)試芯片過(guò)不了測(cè)試的問(wèn)題。一旦測(cè)試失效，那必須做失效分析，看看是哪里的電流承載不了，然后修bug重新流片測(cè)試。

 

同時(shí)，GPIO本身同樣需要支持功能安全，也就是要加入探測(cè)電路，對(duì)各類可能產(chǎn)生的失效報(bào)警。相對(duì)來(lái)說(shuō)，模擬電路失效種類較少，比較容易做到Asil-D。相應(yīng)的，IP還得提供FMEA和FMEDA報(bào)告，供芯片公司過(guò)認(rèn)證。

 

上圖是集成在芯片內(nèi)部的GPIO，集成時(shí)，除了要插入一些特殊的單元來(lái)完成不同電壓的IO模塊隔離，還需要注意一定的IO上電次序。

至此，IP模塊分析完畢。接下去我們從芯片系統(tǒng)層面開始分析中控和輔助駕駛芯片。

讓我們回頭看看上面的中控芯片結(jié)構(gòu)圖。最重要的是紅色框內(nèi)的安全島，由R52和緊耦合內(nèi)存，中斷控制器，總線，內(nèi)存控制器，以及DMA控制器，硬件鎖，SRAM等組成。理想情況下，每一個(gè)模塊都需要是Asil-B/D的。如果做不到，那么至少R52，緊耦合內(nèi)存和硬件鎖做到。由它們構(gòu)成安全的基石，用來(lái)輪詢其余模塊是否發(fā)生故障。同時(shí)，這個(gè)安全島還可以作為系統(tǒng)控制器，來(lái)控制其余模塊的電源，電壓和時(shí)鐘狀態(tài)；否則，還需要一個(gè)Asil-B/D的電源管理的有限狀態(tài)機(jī)來(lái)做這件事情，具體可以參考CMN600AE里時(shí)鐘,P/Q通道和重置信號(hào)的設(shè)計(jì)。

 

作為信息娛樂(lè)域的處理器，多媒體，加解密，總線，中斷控制器，調(diào)試系統(tǒng)等均無(wú)需安全等級(jí)，出錯(cuò)不影響駕駛。需要安全等級(jí)的是儀表盤，Asil-B級(jí)。由于我們這里已經(jīng)做了隔離設(shè)計(jì)，所以不需要考慮信息娛樂(lè)域的大小核以及其他主設(shè)備對(duì)其產(chǎn)生的影響。內(nèi)存控制器雖然是共享的，但只要做好了類似CMN600AE的QoS，保留出相應(yīng)的資源，也不用擔(dān)心被低優(yōu)先級(jí)阻塞。

 

黃色框內(nèi)作為儀表盤處理器的A55，很難被替換成R52，因?yàn)閳D形處理器通常需要支持MMU的操作系統(tǒng)。此處的操作系統(tǒng)，可以是Asil-B/D級(jí)的QNX等，也可以是Asil-B/D級(jí)虛擬機(jī)之上建立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。另一方面，A55雖然有ECC和RAS機(jī)制，但并不支持鎖步，很難做到通用場(chǎng)景下的Asil-B等級(jí)。至于同樣被隔離的圖形處理器G31，更沒(méi)有安全設(shè)計(jì)。那怎么把儀表盤做到Asil-B？一旦發(fā)生故障，比如儀表盤畫不出正確的圖層，或者干脆不響應(yīng)，我們可以把A55和G31排除在安全狀態(tài)之外，讓R52驅(qū)動(dòng)外置LED燈告知駕駛員錯(cuò)誤信息。這樣，就把問(wèn)題歸到了怎樣用Asil-D級(jí)的安全島探測(cè)錯(cuò)誤。這個(gè)就相對(duì)要簡(jiǎn)單多了?？梢杂?jì)算每一幀r的CRC，看看是不是連續(xù)幾幀不變；也可以定期讓A55響應(yīng)中斷或者喂狗，又或者同時(shí)采用。

 

在這里，我們引入了一個(gè)概念，出錯(cuò)處理。在失效發(fā)生后，系統(tǒng)需要在失效容忍時(shí)間間隔（FTTI）內(nèi)進(jìn)入安全狀態(tài)。所謂的安全狀態(tài)，可以是之前的正常運(yùn)行狀態(tài)，也可以是應(yīng)急的處理狀態(tài)。之前儀表盤的錯(cuò)誤警告LED就是一種應(yīng)急處理的安全狀態(tài)。

 

對(duì)于鎖步設(shè)計(jì)，最簡(jiǎn)單的做法就是重置整個(gè)邏輯。如果是處理器，那就需要重啟相應(yīng)的處理器核心。而這個(gè)重啟，必須在失效容忍時(shí)間間隔內(nèi)完成，否則，還是要被視作失效。通常，這個(gè)最短容忍時(shí)間是10毫秒到100毫秒，和系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)。

 

對(duì)于簡(jiǎn)單的微控制器，100毫秒甚至10毫秒重啟并不困難。但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的處理器，重啟就是麻煩事了。如果按照傳統(tǒng)的開機(jī)流程，那幾秒鐘是需要的，沒(méi)法符合要求。那我們就只剩下兩條路，第一個(gè)是使用虛擬機(jī)。如果發(fā)生失效的并不是Hypervisor所運(yùn)行的處理器核，可以只重啟某個(gè)虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速。對(duì)于重要的高實(shí)時(shí)任務(wù)，還可以兩個(gè)虛擬機(jī)跑同一個(gè)業(yè)務(wù)，互為備份，一個(gè)出問(wèn)題那立刻切另外一路；也可以用一個(gè)虛擬機(jī)待機(jī)，看其余哪個(gè)虛擬機(jī)重啟，立刻開始接手那個(gè)虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)。如果是Hypervisor所運(yùn)行的處理器核重啟，那優(yōu)化重啟過(guò)程，保存當(dāng)前上下文環(huán)境至內(nèi)存，并且盡量調(diào)整驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)步驟，做到最先使用的主設(shè)備優(yōu)先初始化。可以參考手機(jī)上的Suspend To Ram機(jī)制，手機(jī)基本上可以做到休眠時(shí)全芯片下電，數(shù)據(jù)保留在DDR，喚醒時(shí)處理器起來(lái)調(diào)用顯示模塊，先顯示之前保存的圖層，再啟動(dòng)圖形處理器渲染新的幀，做到無(wú)明顯感覺(jué)。利用這種機(jī)制，對(duì)于儀表盤失效，可以先告警，然后在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)子系統(tǒng)重啟。

再來(lái)看看媒體部分的安全設(shè)計(jì)問(wèn)題。上圖中是倒車后視的子系統(tǒng)，圖像信號(hào)處理是C71（Asil-B），R52（Asil-D），總線NIC450（QM），DMA330（QM），SRAM（帶ECC），顯示模塊D71（QM）。子系統(tǒng)要求做到Asil-B等級(jí)。由于并不是所有模塊都做到了Asil-B，我們需要對(duì)其做失效樹分析。真正出現(xiàn)失效的場(chǎng)景，在于顯示畫面凍結(jié)在某一幀。瞬時(shí)錯(cuò)誤引起的一些問(wèn)題，比如某幀畫面有壞點(diǎn)，并不構(gòu)成失效。因此，我們要做的事情就變成兩件：先用R52從顯示模塊獲取每一幀的CRC，看看是不是連續(xù)多幀都不變，如果出錯(cuò)，立刻亮燈告警，這個(gè)計(jì)算必須在失效容忍時(shí)間間隔內(nèi)完成；其次，開機(jī)或者周期性運(yùn)行LBIST/MBIST，看看是不是存在永久錯(cuò)誤，有的話也需要告警。只要圖像的源頭C71有Asil-B，R52高于Asil-B，我i們可以放松對(duì)其余幾個(gè)模塊探測(cè)瞬時(shí)錯(cuò)誤的要求。

 

接下來(lái)我們看輔助駕駛的芯片框架圖，和中控不同，輔助駕駛需要感知和決策，是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)算過(guò)程，沒(méi)有辦法通過(guò)安全島監(jiān)測(cè)來(lái)達(dá)到高等級(jí)安全，只能通過(guò)處理器本身來(lái)保證。所以這里的處理器全部換成了帶冗余設(shè)計(jì)的A76AE和A65AE。虛擬化在這個(gè)系統(tǒng)里并不是必須，MMU600AE僅僅是為了虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換。由于沒(méi)有采用虛擬機(jī)，各個(gè)處理單元之間的數(shù)據(jù)隔離可以靠CMN600AE的MPU來(lái)完成。沒(méi)有經(jīng)過(guò)CMN600AE的設(shè)備，需要在和總線之間添加MPU來(lái)實(shí)行地址保護(hù)，并且所有的MPU配置要保持一致。另一方面，使用MPU也限制了分區(qū)不能太多，否則就需要映射到內(nèi)存。到底使用虛擬機(jī)還是MPU進(jìn)行隔離需要看應(yīng)用來(lái)決定。另外，如果需要片間互聯(lián)，那所有主設(shè)備都應(yīng)該通過(guò)NoC AE形成子網(wǎng)連到CMN600AE。

這個(gè)框架的計(jì)算流是這樣的：C71（Asil-B）把數(shù)據(jù)從傳感器收集，做固定的圖像信號(hào)處理，把結(jié)果放到DDR；A65AE讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行車道檢測(cè)等傳統(tǒng)的矢量運(yùn)算。相對(duì)于大核，A65AE提供了高能效比的運(yùn)算能力，適合多路并行計(jì)算。也可以把任務(wù)丟到圖形處理器來(lái)運(yùn)算，延遲稍大，能效比也很高。如果涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，那A76AE會(huì)把任務(wù)調(diào)度到AI加速器上，同時(shí)在算子不足的情況下負(fù)責(zé)部分計(jì)算。也可以調(diào)度到圖形處理器，不存在算子不支持的問(wèn)題。當(dāng)然，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，能效比還是趕不上專用加速器。A76AE作為大核，具有很高的單線程性能，可以用來(lái)做決策。

 

CMN600AE作為橋梁，連接了所有設(shè)備，并提供高帶寬，硬件一致性以及系統(tǒng)緩存。受布局布線的限制，還是需要NoC把帶寬和延遲需求不高的設(shè)備通過(guò)子網(wǎng)連到CMN600AE。

 

最后劃一下重點(diǎn)。汽車芯片的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)性，功能安全，電氣，虛擬化。功能安全最復(fù)雜，需要IP級(jí)就開始支持。如果不符合，那需要場(chǎng)景分析做分解，用最少的代價(jià)實(shí)現(xiàn)安全。