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深入瞭解汽車系統級晶片SoC連載之七:汽車功能安全的關鍵

ARM推出一系列針對自動駕駛的CPU架構,均符合汽車功能安全,分別是A65AE、A76AE和A78AE,AE代表汽車級增強。

ARM自動駕駛計算平臺配置

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圖片來源:網際網路

ARM針對汽車功能安全的Split/Lock/Hybrid模式

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在汽車功能安全標準ISO26262-5 2018產品開發:硬體層面附錄D對處理單元的診斷覆蓋率推薦的安全技術措施中,作為可實現高診斷覆蓋率的幾種技術措施之一,硬體冗餘技術中,雙核鎖步、非對稱冗餘、編碼計算是三種典型的技術措施。

鎖步是兩個核運行同樣的程式,將結果輸入一個比較邏輯中,週期性比較兩個核的輸出結果是否相同,即CCM。如果相同,則繼續執行;否則,則需採取一定的措施。若一段時間後錯誤還是存在,可能重啟或者重新檢查。鎖步核的設計是固定在晶片設計中的,所以沒有可調整性。容易看出,鎖步核雖用了兩個核,但其實只起到一個核的作用,浪費了一個核。這種方法已在微控制器和複雜度較低的微處理器領域經過多年的成功驗證。如果是設計比較複雜的核,即使未有異常,兩個核之間也可能不同步。目前再進一步是將對比結果輸出到一個被稱為“safety island”安全島的核中,由這個核負責決策和執行。這個核使用單獨的時鐘和電源,且有很高的安全效能。這種方案提升了系統複雜度,但軟體執行更加靈活。ARM一般推薦是Cortex-R52。

ARM有雙重鎖步能力,第一重在CPU內部,利用DSU實現,第二重在CPU外部,利用安全島實現。DSU是DynamIQ Shared Unit ,第一次出現是在A75上。

ARMDSU應用示例

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DSU基本構成

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DSU的核心功能是控制CPU核心,使其成簇Cluster使用,簇內每一個核心可以單獨開關、調整頻率/電壓,能效表現更佳,甚至製造商是可以將不同核心(目前僅支援Cortex-A75與Cortex-A55)以不對等的數量放到一個簇內,可以Cortex-A75×3+ Cortex-A55×5,也可以Cortex-A75×1+ Cortex-A55×7,兼顧成本與效能。再有就是L3快取的共享。DSU能夠使用CCI、CCN或是CMN不同匯流排技術,把CPU與SoC裡其它單元(GPU、Modem、記憶體)高速連線起來;假如它擁有4MB三級快取,能以動態方式分配快取給每個核心,比如說Cortex-A75×1+ Cortex-A55×7下,可以將3MB快取分配給A75核心,剩下7個A55核心共享1MB快取,甚至可將三級快取交給GPU等單元使用,靈活性非常高;最重要的是它還負責控制簇內每個CPU核心開關、頻率高低、電壓大小,是控制CPU效能與功耗的關鍵。

在設計DynamIQ之時ARM還考慮到冗餘需求,比如相比智慧手機,汽車對可靠性、冗餘度要求高出不少,DynamIQ允許多個簇透過CCIX連線在一起,這樣處理器就可以分佈於汽車不同位置,當發生交通意外一個簇受損時,DynamIQ技術可以調用出備用處理器,保證汽車正常運轉。

Cortex-A78AE的DSUAE內部框架圖

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DSU AE主要是添加了比較器,再有就是亮色部分都複製一份,包括執行邏輯、時鐘、功率狀態,各個介面,當然快取不能複製,那樣成本太高,也意義不大。

DSU-AE鎖步模式

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DSU-AE分離模式

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DSU-AE混合模式

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DSU-AE介面

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除了DSU還有針對汽車功能安全的GPU架構G78AE,影象ISP的C71AE,中斷控制GIC-600AE,儲存管理MMU-600AE,網格匯流排CMN-600AE。但DSU最關鍵。

二、ARM的片上匯流排

ARM智慧駕駛產品全系列

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數字IC從基於時序驅動的設計方法,發展到基於IP複用的設計方法,並在SOC設計中得到了廣泛應用。在基於IP複用的SoC設計中,片上匯流排是連線各模組,對各模組做出仲裁的核心繫統,是設計最關鍵的問題。AMBA匯流排是ARM研發的(Advanced Microcontroller Bus Architecture)提供的一種特殊的機制,可將RISC處理器整合在其他IP芯核和外設中,是有效連線IP核的“數字膠”,並且是ARM複用策略的重要元件。它不是晶片與外設之間的介面,而是ARM核心與晶片上其他元件進行通訊的介面。AMBA規範主要包括了AHB (Advanced High PerformanceBus)系統匯流排和APB (Advanced Peripheral Bus)外圍匯流排。除了AMBA匯流排,ARM還有應對多核的GIC中斷控制,MMC記憶體控制。

ARM CMN-700

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ARM發展了一種介於匯流排和NoC之間的連線系統,稱之為CMN,主要用於連線CPU核心,也可以CPU核心和加速器之間的連線。採用MESH網格結構,但沒有路由功能,本質上還是匯流排,但MESH網格支援的單元很多,遠比一般匯流排要多,最高可支援512核,支援512MB的L3快取,目標市場主要是HPC領域。

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CMN-700同時還支援AMBA AXI5、ACE5-lite、CXS和CCIX

附錄:ARM架構一覽

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