時(shí)隔一年，終于有機(jī)會再攢一顆芯片。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處理器等，八仙過海各顯神通。

 

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（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)利潤還不錯(cuò)的市場，技術(shù)門檻也并非不可逾越，更不存在絕對的生態(tài)閉環(huán)。只是量沒有消費(fèi)電子那么大，一年出個(gè)幾百萬片就不錯(cuò)了。在這個(gè)領(lǐng)域里，新造車勢力方興未艾，傳統(tǒng)造車勢力追求差異化，又趕上5G，自動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，動力總成，底盤，信息娛樂，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)級電氣標(biāo)準(zhǔn)。

先說虛擬化。虛擬化其實(shí)是從服務(wù)器來的概念，為什么汽車也會有這個(gè)需求？兩點(diǎn)原因：現(xiàn)在的中控芯片有一個(gè)趨勢，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，圖形界面也較簡單。而現(xiàn)在的系統(tǒng)越來越炫，甚至需要圖形處理器來參與。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，對訪問內(nèi)存的地址進(jìn)行檢查和過濾，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？很簡單，如果不加，那必然存在安全漏洞，和軟件虛擬化無異。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)存來存放過濾表項(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軟件是不透明的，采用系統(tǒng)內(nèi)存管理器SMMU600對上層軟件透明，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)換請求，內(nèi)存管理單元會在內(nèi)部的TLB緩存和Table Walk緩存查找最終頁表項(xiàng)和中間表項(xiàng)。如果在內(nèi)部緩存沒找到，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，最終會需要20次內(nèi)存讀取。對于系統(tǒng)內(nèi)存管理器，情況可能更糟。如上圖所示，由于SMMU本身還需引入多級描述符來映射多個(gè)頁表，最極端情況需要36次的訪存才能找到最終頁表項(xiàng)。如果所有訪問都是這個(gè)延遲，顯然無法接受。

 

Arm傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是添加足夠大的多級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。可以看到，主設(shè)備的5萬次訪問，在經(jīng)過SMMU后，產(chǎn)生了近5萬次未命中。這意味著訪問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？答案很簡單，處理器內(nèi)部的MMU，會把中間頁表的物理地址繼續(xù)發(fā)到二級或者三級緩存，利用緩存來減少平均延遲。而SMMU就沒有這么幸運(yùn)，在Arm先前的手機(jī)處理器參考設(shè)計(jì)中，并沒有系統(tǒng)緩存。這種情況下，即使對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可以把頁表和中間頁表項(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，會發(fā)現(xiàn)它是支持雙向頁表維護(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表，可以避免軟件頁表更新操作，進(jìn)一步提高異構(gòu)計(jì)算的效率。不過就SMU600而言，它僅僅支持單向的廣播，接了SMU600的主設(shè)備，本身的緩存和頁表操作并不能廣播到處理器，反過來是可以的。

 

對于當(dāng)前的汽車芯片，如果沒有系統(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，就會出現(xiàn)物理地址離散化，無法找到連續(xù)的大物理地址了。

 

SMMU接受的是從主設(shè)備發(fā)過來的物理地址，那它是怎么來區(qū)分虛擬機(jī)呢？靠的是同樣從主設(shè)備發(fā)送過來的vmid/streamid。如果主設(shè)備本身并不支持虛擬化，那就需要對它進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，讓軟件來寫入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。如果訪問時(shí)的id和預(yù)設(shè)的不符，SMMU會報(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，主動發(fā)出不同的vmid/streamid。為了對軟件兼容，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)地址訪問不同組的寄存器，而對驅(qū)動透明。同時(shí)，對于內(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vmid敏感，相同地址不同vmid的情況，必須識別為未命中。

 

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。以Arm的圖形處理器為例，到目前為止，硬件上還沒有正式支持虛擬化，如果軟件要支持，可能會有以下幾種方案：

 

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)動會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，因?yàn)槟壳膀?qū)動只支持Linux。所以就只能讓虛擬機(jī)來跑原先的驅(qū)動，而沒有辦法在hypervisor上再運(yùn)行一個(gè)驅(qū)動來進(jìn)行訪問控制。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)直接訪問寄存器，那訪問控制就實(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)動部分開放接口，讓hypervisor可以主動調(diào)度。示意圖如下：

這個(gè)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，改動較少，實(shí)現(xiàn)簡單，無論是Xen和KVM都可以適配。缺點(diǎn)是主動權(quán)并不掌握在hypervisor，如果某個(gè)虛擬機(jī)上渲染任務(wù)過于繁重，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，不被其他虛擬機(jī)搶占，來實(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，只是沒法區(qū)分SteamID，沒法做隔離。

 

Arm支持硬件虛擬化的圖形處理器估計(jì)還要一年才會出來。具體到細(xì)節(jié)，虛擬化除了需要寄存器分組，緩存對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，是沒有辦法繞過hypervisor，直接把虛擬中斷送到Guest OS的。外部中斷送進(jìn)來，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層頁表。另外一方面，Armv8.1之前的處理器EL2沒有對應(yīng)的頁表。如果沒有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層頁表的頁表寄存器，軟件上不用做修改。硬件上，這些訪問會被重定向到EL2，以保證權(quán)限。

 

對于1型虛擬機(jī)，比如Xen，這個(gè)改動沒有影響。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等級的操作系統(tǒng)（包含Hypervisor）。如果需要實(shí)現(xiàn)Asil-D級別的系統(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，移植起來會省事一些。QNX不是所有的模塊都是Asil-D級，移植過去的驅(qū)動，其實(shí)是沒有安全等級的。QNX依靠Asil-D級的核心軟件模塊和Hypervisor，保證99%以上的失效覆蓋率。如果子模塊出了問題，那只能重啟子模塊。

 

前面說到，有些廠商認(rèn)為虛擬化還不夠，有些場景要物理隔離。虛擬化的時(shí)候，硬件資源還是共享的，只不過對軟件是透明。這樣其實(shí)并不能完全防止硬件的沖突和保證優(yōu)先級。請注意，硬件隔離是separation，而不是分區(qū)partition，Partition是用MPU來做的。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，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，在不作為儀表盤應(yīng)用的時(shí)候，作為SMP的一部分來使用。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。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。而把所有資源融合運(yùn)行的時(shí)候，冗余的部分自動關(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遇到性能瓶頸，但汽車通常只會要求物理隔離兩個(gè)組，分別給儀表盤和信息娛樂，并且儀表盤所需資源較少，融合的時(shí)候，可以啟用信息娛樂的共享單元，從而避免瓶頸。對于系統(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)架會有如下改動：

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，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)范來保證，后者依賴于芯片設(shè)計(jì)上采取的種種失效探測機(jī)制來保證。我們在這主要談后者。

 

簡單來說，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把安全等級做了劃分，常見的有ASIL-B和ASIL-D級。ASIL-B要求芯片能夠覆蓋90%的單點(diǎn)失效場景，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手冊第五篇的附件D，詳細(xì)描述了硬件失效的探測手段。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：

針對每一單元，ISO26262手冊定義了一些方法，來檢測這些單元是否失效，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)測等方法。這些方法并不能簡單的應(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，然后到芯片系統(tǒng)級，再討論幾個(gè)典型場景，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。對于這一類錯(cuò)誤，在芯片封測的時(shí)候，我們可以使用邊界掃描和MBIST來發(fā)現(xiàn)壞掉的晶體管。這樣，問題就轉(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。

 

僅僅有出廠測試是不夠的，晶體管會在使用過程中慢慢老化損壞。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，用來運(yùn)行測試向量和模板。自然，這會引入額外的成本。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)鐘周期就探測到錯(cuò)誤，而不是開機(jī)時(shí)候發(fā)現(xiàn)。對于邏輯來說，為了做到這點(diǎn)，最直接的方法莫過于采用冗余設(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，比較器也會引入一些額外的面積開銷和時(shí)序影響。

這么簡單就實(shí)現(xiàn)了功能安全？并沒有，有幾個(gè)問題需要解決：

 

第一個(gè)問題是，比較器到底比哪些信號？以處理器為例，如果我們只是在對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)而并沒有被探測出來。那我們就不能說當(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寄存器。在這條通路上任何一位出了問題，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有循環(huán)的通路，這條通路上的任何一點(diǎn)發(fā)生問題，在確定的較短時(shí)間內(nèi)，一定會在最終輸出上反應(yīng)出來。我們把這個(gè)通路記為模塊X。通過一定的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)誤會引起失效。依此類推，寄存器組的1號輸出，受28個(gè)門影響，而2號受49個(gè)門影響。加起來總共121種可能。簡單計(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)會反映在總的概率里面。

 

基于上述的思想，我們來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失效，并且這個(gè)失效能被外部比較器探測到。這就需要把內(nèi)部信號拉到外面。那到底怎么決定哪些信號拉出去哪些不拉？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)檢查來做最后決定。通常會有很多信號被拉出來，比如Cortex-R5，20多萬門的邏輯，最終送到比較器的信號數(shù)達(dá)2000多個(gè)，平均每100門就有一個(gè)信號。

 

在芯片過認(rèn)證的時(shí)候，如果IP本身沒有過經(jīng)過認(rèn)證，或者以前沒有被廣泛采用，認(rèn)證機(jī)構(gòu)可能會需要一條條的和芯片公司討論，看看連出來的的管腳是不是能提供足夠的失效檢測覆蓋率。通常這些設(shè)計(jì)相關(guān)的信息，IP公司并不會提供給芯片公司，所以認(rèn)證公司可能會要和IP設(shè)計(jì)公司拿這些信息，導(dǎo)致更長的認(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)覆蓋率的問題，還有第二個(gè)問題。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，能把他糾正過來嗎？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，對于大的處理器設(shè)計(jì)，基本沒人這么做。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。對于Asil-D來說，潛藏錯(cuò)誤覆蓋率需要達(dá)到90%，而Asil-B是60%。

 

以上都是對于邏輯錯(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，比如一級指令緩存，只支持奇偶校驗(yàn)，不支持糾正。

 

對于邏輯的冗余和內(nèi)存的ECC，為了驗(yàn)證探測機(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等級的必要手段。沒有冗余設(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安全的辦法，但僅僅適用于簡單的，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，如果最終安全等級需要Asil-D，這兩種方法會要求拆解后也得達(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)測的這一路提高到Asil-D。這只有在特定場景才有可能應(yīng)用，我們后面會討論到。

 

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)來實(shí)現(xiàn)Asilb-B/D，畢竟它的覆蓋率太低。但有些場景，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，來看看Arm的面向汽車應(yīng)用的IP是怎么實(shí)現(xiàn)高等級功能安全的。

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進(jìn)行切換，不能動態(tài)切換，對于汽車應(yīng)用來說足夠。核心內(nèi)部添加的比較器，約占5%的面積，頻率也會有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，并且對軟件透明。這其實(shí)最初來自于網(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，在線軟件測試庫，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，地址并沒有重映射，只是多了一層訪問檢查。這也就意味著地址對軟件不透明，不同的虛擬機(jī)可以看到別人的地址，只不過沒法訪問。

 

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)到更高的安全等級而準(zhǔn)備的。和A系列基于MMU的虛擬化不同，它是在原來的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)延遲極大增加的問題，R52沒有采用內(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，但是沒法做到頁表那么多的條數(shù)。在R52上，由于沒有A系列的EL3，安全啟動就需要先進(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，不斷探測是不是有處理器那邊發(fā)過來的傳輸。如果沒有，那就趁空閑時(shí)間讀寫內(nèi)存并做測試。SBIST就是針對處理器IP的在線軟件測試。我們可以把這個(gè)測試運(yùn)行在某個(gè)虛擬機(jī)上，通過中斷來周期性的切換，花5%的時(shí)間來不停檢測硬件。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MPU編程做了優(yōu)化，不是像以前需要針對一個(gè)CP15寄存器填，填完再用內(nèi)存壁壘指令確保寫入次序。現(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AXI口出去，減少一些延遲。

 

再來看看中斷控制器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；對于重置和時(shí)鐘，P/Q通道等信號，大多采用復(fù)制的方式來保護(hù)；而對于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，對于一些老的設(shè)計(jì)，可能并沒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)的工作用輪詢來完成，避免走中斷通道。輪詢的對象可以是一段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，會有錯(cuò)誤探測編碼，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，只不過更全。對于一些控制類信號，采用復(fù)制的方法，有時(shí)候把兩根線正負(fù)反轉(zhuǎn)；對于數(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。對于總線處理模塊，仍舊采用邏輯鎖步和內(nèi)存ECC來做安全設(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)，可以使用簡單一些的方法，來達(dá)到一定的安全等級。下圖是一個(gè)簡單的圖像信號處理單元，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單邏輯做硬件監(jiān)控，來實(shí)現(xiàn)Asil-B/D等級。

我們?nèi)?/span>RGB域上的Local Tome Mapping為例。Local Tome Mapping的本意是，對于高動態(tài)HDR或者標(biāo)準(zhǔn)動態(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，而亮度和原來比有合理提高。這個(gè)簡單的邏輯，可以使用鎖步來確保高等級功能安全。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。

以上是IP模塊級別對于安全設(shè)計(jì)的考量，接下來我們談下模塊級實(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)鐘周期就能訪問指令和數(shù)據(jù)；內(nèi)部總線具有QoS保證優(yōu)先級；不存在頁表，MPU做在核心內(nèi)部，無需外部訪問。真實(shí)的應(yīng)用場景可能并不需要納秒級的響應(yīng)時(shí)間，哪怕是馬達(dá)控制，系統(tǒng)響應(yīng)在毫秒級也足夠了。而毫秒與納秒差了1百萬倍。這就給了Arm的A系列機(jī)會。

 

A系列最大的不確定性來自于訪問外部內(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，最差情況下，一次頁表讀取，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)級切換時(shí)間，也可以采取固定分配來提高頁表查找命中率，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)流程過程中通過充分的驗(yàn)證來發(fā)現(xiàn)，而阻塞就得靠優(yōu)先級QoS設(shè)計(jì)來避免了。下面我們看看CMN600AE是如何處理的。

 

實(shí)時(shí)處理最簡單的方案是給傳輸分優(yōu)先級。芯片中的總線和從設(shè)備根據(jù)優(yōu)先級來決定先后處理。但是僅僅采用優(yōu)先級會有個(gè)問題，就是某些內(nèi)部資源，比如緩沖，表項(xiàng)已經(jīng)被低優(yōu)先級的傳輸占用了。此時(shí)如果來一個(gè)高優(yōu)先級的傳輸，由于之前的還沒有完成，就會出現(xiàn)高優(yōu)先級被低優(yōu)先級阻塞的情況。怎么辦？可以預(yù)先保留相應(yīng)的資源給高優(yōu)先級。

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)先級定義，可以被軟件編程。這個(gè)優(yōu)先級會隨著傳輸?shù)娇偩€的每一個(gè)部分，每個(gè)部分都根據(jù)優(yōu)先級來給它相應(yīng)的資源。有時(shí)候，同樣高優(yōu)先級的請求過多，超過了系統(tǒng)資源的承受范圍。這時(shí)候，CMN600AE的內(nèi)部模塊，會告訴請求傳輸?shù)哪K重傳，并給它一個(gè)籌碼。每請求一次，籌碼加一。下次這個(gè)籌碼就會隨著新的請求一起傳過來，只要資源有空閑，那么擁有最高籌碼的請求將被允許。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，然后動態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級。

 

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)也會引入額外的片間延遲，可能會達(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，實(shí)現(xiàn)片間虛擬化和中斷系統(tǒng)，對軟件完全透明。其中，MMU600AE訪存的實(shí)時(shí)性靠固定分配虛擬機(jī)，以及使用大頁表來保證，目的是消除頁表項(xiàng)的未命中。對于中斷系統(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)相對簡單，只要工藝允許，標(biāo)準(zhǔn)庫和內(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測試是對接口的要求，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。通常對于車用GPIO，僅僅用仿真來保證設(shè)計(jì)的可靠度還不夠，還必須真正流片，用測試芯片做HTOL/LTOL測試，不斷變化溫度，做滿2600小時(shí)。否則，會發(fā)生仿真通過但是測試芯片過不了測試的問題。一旦測試失效，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，也就是要加入探測電路，對各類可能產(chǎn)生的失效報(bào)警。相對來說，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通道和重置信號的設(shè)計(jì)。

 

作為信息娛樂域的處理器，多媒體，加解密，總線，中斷控制器，調(diào)試系統(tǒng)等均無需安全等級，出錯(cuò)不影響駕駛。需要安全等級的是儀表盤，Asil-B級。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域的大小核以及其他主設(shè)備對其產(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級的QNX等，也可以是Asil-B/D級虛擬機(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，很難做到通用場景下的Asil-B等級。至于同樣被隔離的圖形處理器G31，更沒有安全設(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)動外置LED燈告知駕駛員錯(cuò)誤信息。這樣，就把問題歸到了怎樣用Asil-D級的安全島探測錯(cuò)誤。這個(gè)就相對要簡單多了?？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)。

 

對于鎖步設(shè)計(jì)，最簡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)用場景有關(guān)。

 

對于簡單的微控制器，100毫秒甚至10毫秒重啟并不困難。但對于一個(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)來實(shí)現(xiàn)加速。對于重要的高實(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)動啟動步驟，做到最先使用的主設(shè)備優(yōu)先初始化?？梢詤⒖际謾C(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)處理器起來調(diào)用顯示模塊，先顯示之前保存的圖層，再啟動圖形處理器渲染新的幀，做到無明顯感覺。利用這種機(jī)制，對于儀表盤失效，可以先告警，然后在毫秒級的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)子系統(tǒng)重啟。

再來看看媒體部分的安全設(shè)計(jì)問題。上圖中是倒車后視的子系統(tǒng)，圖像信號處理是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。由于并不是所有模塊都做到了Asil-B，我們需要對其做失效樹分析。真正出現(xiàn)失效的場景，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們可以放松對其余幾個(gè)模塊探測瞬時(shí)錯(cuò)誤的要求。

 

接下來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)算過程，沒有辦法通過安全島監(jiān)測來達(dá)到高等級安全，只能通過處理器本身來保證。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來完成。沒有經(jīng)過CMN600AE的設(shè)備，需要在和總線之間添加MPU來實(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，做固定的圖像信號處理，把結(jié)果放到DDR；A65AE讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行車道檢測等傳統(tǒng)的矢量運(yùn)算。相對于大核，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題。當(dāng)然，對于神經(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級就開始支持。如果不符合，那需要場景分析做分解，用最少的代價(jià)實(shí)現(xiàn)安全。