软件定义汽车(第七集)高性能计算单元架构
软件定义汽车(第七集)高性能计算单元架构
1. 高性能计算单元
中央计算单元，其实就是一台经过特殊设计的专用计算机，其中最核心的是主芯片，一般会采用一颗或多颗高性能的SOC。SOC是System on Chip的缩写，就是在单块芯片上集成多个微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器等部件，比如CPU、GPU、DSP、ISP、Codec、NPU、Modem等模块。
在传统PC时代，各个核心芯片都是以独立的方式存在，比如英特尔和AMD的CPU、NVIDIA的GPU等，到了移动互联网时代，由于体积功耗方面的要求，主芯片都会进行高度的集成，除了大家熟知的CPU和GPU，通常还包含了音频、多媒体、显示、安全、通信、AI计算等子单元。
soc.jpeg
这些单元，在一套总线系统的连接下，构成了一个系统。大家所熟知的各种手机SOC芯片，如苹果的A系列、高通的骁龙系列、华为的麒麟系列，或者各类的AI SOC芯片，车载领域的各种SOC芯片，都逃不出以上范式。
虽然都是同一范式，但是由于使用的场景不同，各个芯片的侧重点不太一样：
∙娱乐系统芯片，其实和消费电子几乎一模一样，关注音频、视频、显示、图像等、Modem等。
∙自动驾驶芯片，注重高性能计算，一般配备有强大的NPU、GPU、DSP等。
∙网关芯片，主要特点是外设接口较多，有的也会集成swtich。
高性能计算单元.png
上一篇中，为大家介绍了传统ECU芯片的架构，其计算资源相对有限，结构也比较简单，一般NVM和SRAM都集成在了芯片内部，大小在KB级别，处理器一般采用Cortex-M内核。高性能的SOC其计算资源和外设都更加丰富，一般会集成多个Cortex-A内核，其存储单元采用外挂的形式，大小在GB级别。
一般的应用场景中，集成一个主芯片就能够满足计算资源的需求，但是自动驾驶对算力有着更高的要求，有时候 于安全的考虑，也需要同时集成多个主芯片，其结构一般如下图所示：
cc-architecture.png
多个芯片在需要在PCIe Switch的连接下共同组成一个计算单元，如果以后发展成可动态拓展的形式（类似于刀片机），该结构依然适用，以下是采用两个Xavier芯片组成的一个高性能计算单元的示意图：
xavier.png
2.  中央计算单元上的软件架构
高性能计算单元上是需要运行操作系统的，如果完全用裸机程序去控制，几乎无法完成。从下到上，依次可分为以下几个部分，硬件驱动层，操作系统内核，分布式中间件，并行计算中间件，应用及服务。
硬件驱动层(BSP)
在嵌入式软件开发当中，软件工程师经常要直接和硬件进行交互，但是在高性能计算单元上，由于有富操作系统的存在，这部分工作一般由BSP工程师完成。
BSP（Board Support Package升级鸿蒙系统步骤）板级支持包，是介于硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层，一般认为它属于操作系统一部分，主要是实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，不同的操作系统对应于不同形式的BSP，尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的，BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改，芯片厂商一般会基于其开发板，提供一个可运行的软件基线，开
发厂商基于该基线进行修改。
BSP的调试工作是和硬件强相关的，目前普遍会选择由硬件Tier1做掉这部分工作，由于本身的技术壁垒不高，所以有余力的玩家选择自己做也完全不是什么问题。
操作系统内核
在软件定义汽车1-3合集中，我对操作系统的概念做过辨析，为了避免歧义，这里我直接称操作系统内核，很多玩家所谓的做自己的操作系统，其实都只是内核之上的中间件。这部分不是主机厂该做的事情，用QNX、Vxworks、Linux、FreeRTOS等，或者以后的鸿蒙微内核即可。虽然这种不直接面向C端用户的操作系统对应用生态的要求不高，但是对于开发者生态的要求还是挺高的。使用这些操作系统的时候，有几个因素至关重要：
∙POSIX兼容性
∙工具链
POSIX是一个操作系统的接口标准，如果一个操作系统对于POSIX兼容性好，那么开源世
界中的很多软件模块是可以复用的。举一个例子，cocos2dx 是一个开源的游戏引擎，支持windows、Linux、Mac等系统，不支持QNX系统，但是由于QNX系统良好的兼容了POSIX，我们只花了很少的功夫就把其移植到了QNX上，虽然cocos2dx依赖了好几十个开源的软件库，但调用的都是标准的POSIX接口，所以也都能非常方便的进行移植。有些网关开发中会使用FreeRTOS，其也有专门的拓展库来支持POSIX调用。
举一个反面的例子，Halide是一个专用的图像处理引擎，其构建是基于LLVM编译器框架的，由于QNX官方支持的编译器是基于GNU GCC的，我曾经尝试过要把Halide移植到QNX，但是由于编译器不支持，迁移过程就碰到了很大的困难。所以系统所支持的编译器框架，也决定了很多最新的开源项目是否能被使用。
传统主机厂，不喜欢开源软件，其中最重要的一个原因，是其技术实力太弱，出了问题自己无法解决，但是新的科技玩家，会更加的拥抱开源软件。
主机厂自己做软件，虽然不用去碰内核，但是必须有几个系统方面的高手，主要是应对系统的稳定性问题，这个对于安全性较高的控制器尤为重要，软件进度上的问题堆人力可以弥补，但涉及到架构、性能、稳定性、安全等，做这部分工作就不是靠堆人力能解决的。
分布式中间件
参考软件定义汽车1-3，所谓的分布式中间件，就是在实时的RTOS内核上，基于POSIX的API，构建的一个跨平台的操作系统中间件，为上层的应用提供良好的计算、通信的开发框架，其作用类似于Android的Framework，只不过主要是针对实时、高可靠性应用场景的。
这类Framework中间件，有三个核心要素：
∙Library（提供一系列基础库，封装特定功能）
∙Service （独立运行的基础服务节点，作为逻辑处理的后端）

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