【摘 要】針對異構(gòu)SOC實(shí)時內(nèi)核部署SOA服務(wù)的性能瓶頸，文章設(shè)計一種基于車載異構(gòu)計算平臺的SOA服務(wù)部署方法。實(shí)時內(nèi)核從總線獲取和提供原始數(shù)據(jù)，通過核間通信協(xié)議傳輸至性能內(nèi)核，性能內(nèi)核基于SOME/IP協(xié)議將原始數(shù)據(jù)封裝為服務(wù)進(jìn)行發(fā)布。與傳統(tǒng)的直接在實(shí)時內(nèi)核上發(fā)布SOME/IP服務(wù)的方式相比，該方法能顯著降低實(shí)時內(nèi)核系統(tǒng)的開銷，有效解決實(shí)時內(nèi)核運(yùn)算力不足、無法支撐大量SOME/IP報文發(fā)送的問題。同時，由于性能內(nèi)核具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，后續(xù)服務(wù)可以靈活迭代與擴(kuò)展，用戶可以獲得更加便捷的車控交互體驗。

【關(guān)鍵詞】車載異構(gòu)計算平臺；SOA；SOME/IP

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0041-06

Design and Implementation of SOA Service Deployment Based on Vehicle Heterogeneous Computing Platform*

WEN Wen，CHEN Ying，YANG Rui

（Automotive Engineering Research Institute，Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511434，China）

【Abstract】Aiming at the performance bottleneck of heterogeneous SOC real-time kernel deployment of SOA services，this paper designs an SOA service deployment method based on vehicle-mounted heterogeneous computing platform. The real-time kernel obtains and provides raw data from the bus，which is transmitted to the performance kernel through the Inter core Communication protocol，and the performance kernel encapsulates the raw data as a service for publication based on SOME/IP protocol. Compared with the traditional method of publishing SOME/IP services directly on the real-time kernel，this method can significantly reduce the overhead of the real-time kernel system，and effectively solve the problem that the real-time kernel has insufficient computing power and cannot support the sending of a large number of SOME/IP packets. At the same time，due to the strong computing capability of the performance core，the subsequent services can be flexibly iterated and expanded，and users can obtain a more convenient interactive experience of vehicle control.

【Key words】vehicle heterogeneous computing platform；SOA；SOME/IP

作者簡介

文雯，男，工程師，碩士，主要從事車載中央計算平臺基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)研究工作。

1 研究背景

隨著汽車硬件配置趨同，整車廠很難在硬件上打造差異化，軟件定義汽車（Software Defined Vehicles，SDV）趨勢愈發(fā)明顯。SDV可以幫助汽車實(shí)現(xiàn)功能的創(chuàng)新，滿足新生代用戶千人千面、千車千面的個性化需求。軟件高速迭代升級，能不斷為用戶帶來全新的駕乘體驗，提高產(chǎn)品的競爭力，增加用戶對品牌的黏性。面向服務(wù)的軟件架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）在計算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)被證明是一種高效、靈活的系統(tǒng)軟件架構(gòu)，為汽車軟件踐行“軟硬分離，軟軟解耦”的SDV理念提供了重要的理論支撐[1-2]。SOA在汽車應(yīng)用場景中，將車端不同軟件的功能及硬件抽象為具有標(biāo)準(zhǔn)接口的服務(wù)，服務(wù)的客戶端和消費(fèi)端通過既定協(xié)議相互訪問、擴(kuò)展組合[3]。服務(wù)調(diào)用通過系統(tǒng)內(nèi)部IPC或者以太網(wǎng)SOME/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)[4]。當(dāng)前，汽車電子電氣架構(gòu)（Electrical/Electronic Architecture，EEA）已經(jīng)發(fā)展到集中式架構(gòu)（EEA3.0）階段，EEA3.0可以滿足汽車業(yè)務(wù)需求與硬件資源解耦，具備實(shí)現(xiàn)SOA的能力。其中，中央車載計算平臺是汽車應(yīng)用場景中SOA服務(wù)部署的主要載體。中央計算平臺主要采用高性能的集成多個處理器的異構(gòu)SOC芯片，其軟件架構(gòu)是異構(gòu)體分布式操作系統(tǒng)協(xié)同合作的軟件架構(gòu)，不同的操作系統(tǒng)運(yùn)行滿足具有不同功能安全等級、信息安全等級及實(shí)時性要求的應(yīng)用軟件[5]。中央計算平臺的性能內(nèi)核和實(shí)時內(nèi)核分別基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，可以分別實(shí)現(xiàn)功能的服務(wù)化，對外發(fā)布服務(wù)或者請求服務(wù)。但限于實(shí)時內(nèi)核的處理能力和系統(tǒng)CPU、RAM及網(wǎng)絡(luò)資源，在實(shí)時操作系統(tǒng)上的服務(wù)直接通過SOME/IP方式提供的開銷過大，當(dāng)服務(wù)數(shù)量達(dá)到一定量級時，該方式會產(chǎn)生明顯的性能瓶頸，甚至導(dǎo)致無法部署的情況，無法滿足當(dāng)前車輛功能全面服務(wù)化的需求。而當(dāng)前的車載計算平臺通常是基于異構(gòu)的SOC芯片開發(fā)，實(shí)時內(nèi)核上大量的車輛基礎(chǔ)控制能力需要以SOA服務(wù)的形式提供給性能內(nèi)核上POSIX操作系統(tǒng)、車上其他計算平臺或云端的服務(wù)消費(fèi)方使用。所以克服實(shí)時操作系統(tǒng)的性能瓶頸，解決實(shí)時操作系統(tǒng)提供服務(wù)的方式和能力，是實(shí)現(xiàn)整車功能全面服務(wù)化，充分發(fā)揮整車SOA優(yōu)勢的關(guān)鍵。

針對車載計算平臺實(shí)時內(nèi)核部署SOA服務(wù)的瓶頸，本文將設(shè)計一種基于異構(gòu)SOC計算平臺的SOA服務(wù)部署方案，即一種將實(shí)時內(nèi)核的服務(wù)通過核間通信協(xié)議傳輸至性能內(nèi)核，再通過服務(wù)代理在性能內(nèi)核進(jìn)行部署的方式，能顯著降低實(shí)時內(nèi)核端的資源開銷，提升相關(guān)SOC上可部署服務(wù)的數(shù)量。

2 方案設(shè)計

2.1 中央計算平臺架構(gòu)方案設(shè)計

本文采用異構(gòu)雙核SOC作為車載中央計算平臺的主控芯片，主要包括性能內(nèi)核和實(shí)時內(nèi)核。中央計算平臺根據(jù)不同業(yè)務(wù)的實(shí)時性、功能安全及信息安全等要求劃分為3個分區(qū)：VM1、RT1和RT2。VM1分區(qū)為性能內(nèi)核，搭載Linux操作系統(tǒng)和Adaptive AUTOSAR中間件，用于部署對算力要求較高的應(yīng)用；RT1、RT2分區(qū)為實(shí)時內(nèi)核，采用Classic AUTOSAR的實(shí)時操作系統(tǒng)，用于部署實(shí)時性和可靠性要求高的應(yīng)用。根據(jù)AUTOSAR設(shè)計原則，需要進(jìn)行軟件分層設(shè)計，分層的目的是實(shí)現(xiàn)軟硬解耦，軟軟分離，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的靈活部署。本文軟件架構(gòu)劃分為5層，如圖1所示。其中，L1層為硬件相關(guān)的基礎(chǔ)軟件；L2層為操作系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)軟件；L3層為具備跨域通用性，為上層提供基礎(chǔ)功能或服務(wù)的基礎(chǔ)中間件；L4層為專屬于特定域，為上層提供基礎(chǔ)功能或服務(wù)，并做服務(wù)封裝的專用中間件；L5層為用于實(shí)現(xiàn)具體邏輯的應(yīng)用軟件。結(jié)合了高性能和高實(shí)時性的計算平臺，可以承載整車基礎(chǔ)性功能和智能舒適功能。

2.2 SOA服務(wù)的部署方案設(shè)計

SOME/IP是一種面向服務(wù)的可伸縮的中間件協(xié)議，是實(shí)現(xiàn)SOA接口契約化的重要的支撐協(xié)議之一[6]。在SOME/IP通信過程中，通常把提供服務(wù)的一端稱為服務(wù)端（Server），請求服務(wù)的一端稱為客戶端（Client）。SOME/IP傳輸?shù)闹黧w是Client和Server，傳輸內(nèi)容為服務(wù)Service。服務(wù)是一個自包含的、無狀態(tài)的實(shí)體，一項服務(wù)實(shí)體由事件Event、方法Methods和字段Fields等組成[7]。SOME/IP服務(wù)發(fā)現(xiàn)（SOME/IP Service Discovery）是SOME/IP中的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，Client可以通過SOME/IP SD來查找服務(wù)的位置，判斷服務(wù)的可用性，或者訂閱事件組等，基于SD可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)節(jié)點(diǎn)的即插即用[8]。Client可以用Request-Response、Fire& Forget模型訪問Server所提供的服務(wù)；Server利用Notification推送給Client已經(jīng)訂閱的服務(wù)內(nèi)容。

計算平臺性能內(nèi)核通過部署Adaptive AUTOSAR[9]、實(shí)時內(nèi)核通過部署Classic AUTOSAR[10]提供實(shí)現(xiàn)SOME/IP服務(wù)通信的方式分別如圖2和圖3所示。在Adaptive AUTOSAR中，SOA服務(wù)主要通過標(biāo)準(zhǔn)組件Communication Management（CM）以及VSOMEIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。Classic AUTOSAR中服務(wù)主要通過RTE、COM、PDUR以及SOAD等AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)。

由于提供整車控制能力的基礎(chǔ)服務(wù)絕大部分來自于實(shí)時核上部署的Classic AUTOSAR的應(yīng)用或者依賴傳統(tǒng)的CAN總線信號，考慮到實(shí)時內(nèi)核的算力和核資源，為了盡可能部署更多的服務(wù)，對外提供更多的整車車控的能力，本文設(shè)計了一種性能內(nèi)核代理實(shí)時內(nèi)核發(fā)布SOA服務(wù)的部署方案。如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)代理，在性能內(nèi)核和實(shí)時內(nèi)核的L4層分別部署SOA服務(wù)代理專用中間件和SOA API分發(fā)專用中間件。實(shí)時內(nèi)核的SOA API分發(fā)中間件從RTE接口獲取服務(wù)Server SWC的功能，通過L3層核間通信轉(zhuǎn)換模塊Inter core Comm將實(shí)時內(nèi)核的功能信息傳至性能內(nèi)核的SOA服務(wù)代理中間件；然后性能內(nèi)核的L3層Adaptive AUTOSAR通信管理中間件（Communication Management，CM）通過API接口獲取SOA服務(wù)代理的信息，將實(shí)時內(nèi)核的功能進(jìn)行服務(wù)化；最后，協(xié)議棧以IPC或SOME/IP的方式提供服務(wù)。

實(shí)時內(nèi)核上的SOA API Convertor組件將AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行語義轉(zhuǎn)換，其中RTE C/S接口轉(zhuǎn)換為服務(wù)接口Method，RTE S/R接口轉(zhuǎn)換為服務(wù)接口Event或Field。轉(zhuǎn)換后的服務(wù)接口參數(shù)、服務(wù)提供方ID、服務(wù)ID等信息序列化后，通過異構(gòu)計算平臺內(nèi)部總線Inter core Comm提供至性能內(nèi)核端。性能內(nèi)核代理實(shí)時內(nèi)核實(shí)現(xiàn)SOA服務(wù)的接口映射如表1所示。部署于性能內(nèi)核上的SOA服務(wù)代理組件通過內(nèi)部總線收發(fā)接口獲取SOA API Convertor所提供的服務(wù)信息，對其進(jìn)行反序列化解析后，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)調(diào)用接口暴露至中央計算平臺內(nèi)部IPC通信或外部SOME/IP通信上。中央計算平臺內(nèi)部Client通過系統(tǒng)內(nèi)IPC通信，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口（Method、Property/Field、Event）調(diào)用服務(wù)。外部Client通過以太網(wǎng)SOME/IP協(xié)議，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口（Method、Field、Event）調(diào)用服務(wù)。

2.3 基于異構(gòu)計算平臺的音樂律動氛圍燈SOA服務(wù)設(shè)計

基于性能內(nèi)核代理實(shí)時內(nèi)核實(shí)現(xiàn)SOA服務(wù)的部署方法，本節(jié)以車載音樂律動氛圍燈服務(wù)為例，介紹異構(gòu)車載計算平臺實(shí)施SOA服務(wù)代理的具體方案。

2.3.1 音樂律動氛圍燈功能需求分析

音樂律動氛圍燈的功能主要為燈光顏色或亮度跟隨音樂節(jié)奏和響度改變。音樂律動氛圍燈功能交互如圖5所示，發(fā)出激活或退出該功能指令、提供音樂信息的控制器為信息娛樂域控制器（Infotainment Domain Controller，IDC），IDC上的軟開關(guān)控制指令使能該功能，IDC可以提供5種特定的音源類型（USB、BT Music、Car Play Music、Car Life Music、Online Music），中央計算平臺收到音樂信號后對音源類型進(jìn)行判斷，當(dāng)音源信號為非指定的音源類型時，音樂律動氛圍燈功能自動退出。當(dāng)出現(xiàn)音樂暫?；蛲Ｖ?、音源信號插播導(dǎo)航、電話等其他效果時，IDC主動將音樂信號切換為OFF，退出音樂律動氛圍燈功能。

氛圍燈隨音樂律動的功能需求為：IDC播放音樂時，向中央計算平臺發(fā)送每25ms時間內(nèi)的最大音樂振幅、最大分貝值和最大分貝值對應(yīng)的頻率值等音樂特征。中央計算平臺根據(jù)接收到的音樂特征控制氛圍燈的顏色和亮度跟隨音樂節(jié)奏進(jìn)行律動。

2.3.2 音樂律動氛圍燈服務(wù)設(shè)計

基于EEA3.0電子電氣架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)音樂律動氛圍燈應(yīng)用功能的物理架構(gòu)如圖6所示，IDC是音樂律動氛圍燈服務(wù)的Client，中央計算單元是服務(wù)Server，區(qū)域控制器是燈光顏色和亮度變化的執(zhí)行單元。中央計算平臺與IDC之間的通信采用車載以太網(wǎng)，氛圍燈的區(qū)域控制器與中央計算平臺之間的通信采用CANFD總線，計算平臺實(shí)時內(nèi)核與性能內(nèi)核之間通過核間通信協(xié)議交互。

IDC提供播放音樂和音量調(diào)節(jié)等功能。作為音樂燈光秀功能的消費(fèi)方，IDC可直接請求中央處理單元的服務(wù)接口來判斷進(jìn)入音樂燈光秀功能條件，并控制音樂律動氛圍燈功能的開啟或退出。中央計算單元作為服務(wù)的提供方，提供服務(wù)調(diào)用的接口，中央計算平臺的實(shí)時內(nèi)核根據(jù)接收到的音樂特征按照相應(yīng)算法計算后，向區(qū)域控制器發(fā)出控制燈光顏色和亮度的指令。區(qū)域控制器驅(qū)動燈光呈現(xiàn)氛圍燈的效果。

根據(jù)功能需求結(jié)合SOA的設(shè)計思想，對音樂律動應(yīng)用涉及到的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)計如表2所示。IDC提供氛圍燈音樂律動管理服務(wù)包含音源類型、所播放音樂的特征信息設(shè)置功能。中央運(yùn)算平臺的實(shí)時內(nèi)核的SWC提供氛圍的控制服務(wù)，性能內(nèi)核的SOA代理模塊通過核間通信代理該服務(wù)，SOA代理對外提供氛圍燈控制服務(wù)。音樂律動氛圍燈應(yīng)用通過消費(fèi)音樂播放和氛圍燈控制gf3Tfp17tTQVKmT3bJk0+TyjAMJ1poI29MF3L5vwVf4=基礎(chǔ)服務(wù)，來實(shí)現(xiàn)控制車上的氛圍燈的顏色和亮度隨著音樂播放的聲音和節(jié)奏變化而變化的功能。

3 試驗驗證

3.1 測試方案及測試環(huán)境

基于SOME/IP的SOA服務(wù)測試主要包括ECU級的協(xié)議一致性測試、系統(tǒng)級與實(shí)車級的通信測試。本文側(cè)重驗證氛圍燈音樂律動服務(wù)的信息交互行為和響應(yīng)實(shí)時性。音樂氛圍燈服務(wù)發(fā)布和調(diào)用的過程如圖7所示，為了測試服務(wù)鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸情況，需要獲取IDC與中央計算單元之間的SOME/IP報文，以及中央計算單元的SOA日志。

臺架測試環(huán)境如圖8所示，測試平臺包括VN5650和配套軟件CANoe16.0，被測件為中央運(yùn)算單元，性能內(nèi)核作為服務(wù)端（Server）提供氛圍燈音樂律動服務(wù)，上位機(jī)作為客戶端（Client）模擬主機(jī)調(diào)用服務(wù)。VN5650作為以太網(wǎng)接口收發(fā)中央計算平臺的以太網(wǎng)報文，通過CANoe的報文Trace觀察中央計算平臺與模擬客戶端的SOME/IP信息交互情況，通過SOA日志、核間通信日志分析服務(wù)發(fā)布和調(diào)用過程。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 服務(wù)代理方案有效性分析

SOA進(jìn)程及核間通信啟動后，服務(wù)發(fā)布過程的SOME/IP SD報文及SOA日志信息如圖9所示。性能內(nèi)核的SOA服代理模塊通過核間通信主動連接實(shí)時內(nèi)核的SOA API分發(fā)模塊，連接成功后，SOA服務(wù)代理調(diào)用CM以SOME/IP的方式發(fā)布服務(wù)，即廣播SOME/IP SD Offer Service報文，告知氛圍燈律動服務(wù)（Service ID：0x10D3）已經(jīng)啟動，有需求的Client方可根據(jù)SOME/IP SD報文中0x10D3服務(wù)所在的IP地址和端口號等信息與Server方創(chuàng)建連接。

確認(rèn)氛圍燈服務(wù)為可用狀態(tài)后，如圖10所示，上位機(jī)模擬IDC（Client）發(fā)送SOME/IP Setter報文，通過CurAudioSource接口將音源USAGE類型設(shè)置為BTMUSICE型（Method ID：6001，Payload：0x4），通過CurToneFolloInfo接口將音樂的振幅、頻率和分貝設(shè)置為00 00 00 00 00 00（Method ID：6002，Payload：0x00 00 00 00 00 00）。SOME/IP Setter報文上報給CM后，CM進(jìn)行Service ID：0x10D3，Method ID=6001或6002的調(diào)用，性能內(nèi)核的SOA代理收到SOME/IP Setter報文的Payload等參數(shù)信息。接著，SOA代理通過核間通信向?qū)崟r內(nèi)核的SOA API分發(fā)發(fā)送Setter報文，實(shí)時內(nèi)核的氛圍燈控制SWC通過RTE接口獲取Setter信息，執(zhí)行相應(yīng)邏輯后，SOA API分發(fā)通過RTE接口獲取SWC的執(zhí)行結(jié)果，并通過核間通信發(fā)送回性能內(nèi)核，CM收到后，回復(fù)Setter應(yīng)答，最后由SOME/IP協(xié)議?；貜?fù)IDC的Setter請求。

3.2.2 服務(wù)代理方案響應(yīng)實(shí)時性分析

為了保證音樂節(jié)奏和氛圍燈律動的匹配，獲得良好的用戶體驗，要求中央運(yùn)算單元收到第1幀音樂數(shù)據(jù)的時間要比人耳聽到音樂的時間早，并且中央運(yùn)算單元對音樂節(jié)奏變化的響應(yīng)時間小于或等于人耳對音樂節(jié)奏變化的響應(yīng)時間。因此，需要分析音樂氛圍燈服務(wù)響應(yīng)的實(shí)時性。如圖11所示，以性能內(nèi)核接收Setter請求報文和發(fā)出應(yīng)答報文為起止時間，調(diào)用一次Service ID：0x10D3，Method ID=6002的時間為25ms，符合人體對音視頻同步的感知要求（音頻相對視頻超前20ms到延后90ms的范圍內(nèi)，人體對音視頻同步不敏感）[11]。

為了驗證IDC以短周期頻繁調(diào)用氛圍燈服務(wù)時的響應(yīng)實(shí)時性，模擬IDC在10min內(nèi)以50ms為周期調(diào)用服務(wù)，10min內(nèi)實(shí)際調(diào)用周期及音樂氛圍燈服務(wù)響應(yīng)時間如圖12所示。實(shí)際調(diào)用服務(wù)的平均周期為51ms，服務(wù)響應(yīng)的平均時間為23ms，符合響應(yīng)實(shí)時性要求[11]。

4 總結(jié)

面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）被認(rèn)為是能夠支持未來汽車軟件發(fā)展的核心技術(shù)之一，汽車制造商OEM向SOA架構(gòu)轉(zhuǎn)型，期望汽車行業(yè)的商業(yè)模式從一次性購車逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷χ悄荞{駛體驗、智能服務(wù)體驗、座艙娛樂體驗的持續(xù)升級迭代消費(fèi)，智能汽車成為持續(xù)創(chuàng)造價值的平臺。本文提出的基于異構(gòu)SOC的中央計算平臺服務(wù)部署的方法，突破了異構(gòu)SOC實(shí)施內(nèi)核提供服務(wù)的性能和資源的限制，大大提升了整車功能服務(wù)化的水平。試驗結(jié)果表明按照異構(gòu)SOC服務(wù)部署的方案可實(shí)現(xiàn)音樂律動應(yīng)用的功能，滿足其功能對代理服務(wù)實(shí)時性的要求。

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（編輯 凌 波）