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多ASIL等级 的高集成控制器 的设计模式

        今天,汽车制造商们需要不断 的实现具有革新意义 的新功能。同时,为了节省成本、减轻重量和能耗,控制器 的数量不宜增加过多。因此,大量符合Autosar 的高集成多功能控制器应运而生。欲设计出高效、可靠 的高集成多功能控制器需要有优化 的架构理念,包括功能、App和控制器架构。系统架构师需要选择合适 的理念进行设计,并且如果有必要,须对系统架构进行优化和修改(在开发过程中尽早进行)。

 

        本文将先容 的控制器设计 的独特之处是要在单一 的控制器上实现不同严重度等级(criticality) 的应用,对要实现多种不同严重度等级 的安全相关功能 的底盘控制器尤为如此。图1展示了有着不同安全需求 的App 的集成。这种混合严重度等级(mixed-criticality)系统必须满足两个基本 的时间性能需求:

●  在任何情况下,都必须保证有充足 的运算空间以实现相关功能,避免CPU过载,并且功能 的实现要满足各自 的时间性能需求

●  安全相关功能 的实现不能被低ASIL等级功能干扰

 

 

矛盾 的优先级设计方法

        App集成过程中,调度优先级是一个很重要 的因素。成熟 的优先级设置理念有Rate Monotonic Scheduling(RMS)、Criticality Aware Priority Assignment (CAPA)等方法。其中,RMS方法 的设计理念是:周期越短,优先级越高;CAPA方法 的设计理念是:安全等级越高,优先级越高。然而,单独利用任何一种方法,都不能达到满意 的调度效果。使用RMS方法设置优先级,则所有任务 的运行都能满足其截止期限(deadline) 的要求,但是不能保证“freedom from interference”;使用CAPA方法可以保证低安全等级 的任务不影响高安全等级 的任务,但CPU资源利用效率低,资源浪费严重。

 

Autosar时序保护机制提升设计空间

        时序保护机制是Autosar 的一项系统服务,它对运行中 的控制器上 的一个(或几个)任务 的实行时间进行监控。如果有任务 的实际运行时间超过了预设 的最大实行时间,系统将会判定为错误并且对该错误进行相应 的处置。虽然这种方式不能完全消除严重等级反转(criticality inversions) 的问题,但使问题出现 的可能性得到了有效 的控制。该时序保护机制可以使系统满足ISO26262 的相关安全要求,特别是“absence of error propagation”这一点。一般说来,时序保护机制需要根据应用 的最高ASIL等级来设计。为了合理 的对时序保护机制进行配置(尤其是最大实行时间 的设置),对最差情况下 的任务调度(WCRT&WCET)进行分析和预测是必须 的。如图2所示,在综合利用时序保护机制和周期转化(所谓周期转化即指将周期长 的任务分割为实行时间较短 的多个子任务,且此多个子任务仍能够在原任务周期内完成)两种设计理念 的条件下,所有安全和实时性相关 的需求均得到了满足。即,不存在低安全等级对高安全等级任务 的干扰,且所有任务均在其周期时间内实行完成。

 

 

新设计模式 的应用

        大家将上述提及 的设计理念整合进实际 的设计流程中, 如图3所示。首先,根据RMS方法设计出一版初始 的调度参数。然后,查看是否有严重度等级逆转现象。如前述所先容,如果App架构中应用了时序保护机制,则该问题可以得到有效 的控制。如果App架构中未使用时序保护机制,则须使用CAPA方法对有安全需求 的App进行优先级重设。最后 的“安全检查”用来确保在优先级和时序保护机制设计中不存在错误。下一步检查是否所有 的可调度项均满足了时间需求。如果满足,则时序保护机制 的相关参数便可确定下来。如果不满足,则须采取相应 的措施解决问题,比如采取周期转化 的方法对App架构进行调整。另,为了尽早 的在设计流程中对App架构及调度进行优化,除了相关配置信息,如任务名称、周期、ASIL等,还需要获知task和runnable 的实行时间。

 

 

结论

        奥迪和Symtavision在一个联合项目中成功地对上述设计模式进行了应用,并且相关架构设计变体在高集成控制器实际应用中得到了确认。这充分表明了该设计模式 的价值。总而言之,时序和安全是系统架构设计中需要尽早考虑 的两个重要角度。

 

        文章来源:《Design patterns for highly integrated ECUs with various ASIL levels》——《ATZ elektronik》杂志。     

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