AUTOSAR图解==＞AUTOSAR_AP_RS_SafeHardwareAcceleration-优快云博客

本BLOG上原创文章未经本人许可，不得用于商业用途。转载请注明出处，否则保留追究法律责任的权利。

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zhangkaidewd/article/details/148046815

AUTOSAR Adaptive Platform 安全硬件加速 (SHWA) 技术解析

基于AUTOSAR Adaptive Platform R24-11的安全硬件加速技术详解

概述
1.1 SHWA功能集群简介
1.2 术语和缩写
SHWA架构设计
2.1 架构概览
2.2 核心组件
2.3 接口设计
状态管理
3.1 状态转换模型
3.2 状态监控机制
交互流程
4.1 初始化与配置
4.2 任务执行与数据交换
4.3 错误处理与恢复
功能需求实现
5.1 硬件加速器操作执行
5.2 数据交换机制
5.3 硬件资源限制
5.4 状态监控
5.5 错误处理机制
总结

1. 概述

1.1 SHWA功能集群简介

AUTOSAR Adaptive Platform中的Safe Hardware Acceleration (SHWA)功能集群旨在提供标准化和可移植的方式，使自适应应用程序能够安全高效地利用硬件加速器进行计算。随着现代汽车电子系统对计算能力的需求不断增长，特别是在高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶(AD)领域，高效利用GPU、FPGA、DSP等硬件加速器变得尤为重要。

SHWA通过提供统一的API和安全机制，确保应用程序能够：

安全地执行硬件加速操作
高效地交换数据
妥善地管理硬件资源
及时地监控执行状态
可靠地处理可能出现的错误

SHWA特别注重安全性，遵循AUTOSAR安全要求，使其适用于需要满足功能安全标准(如ISO 26262)的应用场景。

1.2 术语和缩写

在深入技术细节之前，首先了解文档中使用的关键术语和缩写：

SHWA: Safe Hardware Acceleration，AUTOSAR Adaptive Platform中的安全硬件加速功能集群
HWA: Hardware Accelerator，硬件加速器，如GPU、FPGA、DSP等
同步错误: 在执行用户程序过程中发生的错误，需要在错误发生的地方处理
异步错误: 独立于用户程序发生的错误，如硬件错误，需要通过特定的错误处理程序捕获和处理
主机设备: 负责控制其他设备的设备，通常是通用CPU，能够运行代码并将部分处理任务卸载到专用硬件单元

2. SHWA架构设计

2.1 架构概览

SHWA的架构设计遵循AUTOSAR Adaptive Platform的分层原则，清晰地定义了各组件间的关系和交互方式。下图展示了SHWA功能集群的整体架构：

在这里插入图片描述

图2.1 SHWA功能集群架构图

该架构图展示了以下关键层次和组件：

应用层：包含AUTOSAR Adaptive应用程序，通过SHWA API调用硬件加速功能
AUTOSAR Adaptive Platform层：
- SHWA功能集群：提供安全硬件加速的核心功能
  - SHWA API：提供统一的接口供应用程序和其他功能集群使用
  - 硬件加速器操作执行器：负责在硬件加速器上执行操作
  - 数据交换机制：管理主机与硬件加速器之间的数据传输
  - 硬件加速器配置管理：处理硬件加速器的配置
  - 状态监控器：监控硬件加速器的运行状态
  - 并行计算管理：管理在硬件加速器上的并行计算任务
  - 错误检测与修正：负责检测和处理错误
- 其他AUTOSAR功能集群：与SHWA功能集群交互的其他平台服务
硬件层：
- 硬件加速器(HWA)：包括GPU、FPGA、DSP等不同类型的硬件加速设备
- 主机设备(CPU)：控制和管理硬件加速器的通用处理器

2.2 核心组件

SHWA功能集群包含多个核心组件，每个组件负责特定的功能：

SHWA API：
- 提供统一的接口，隐藏底层实现细节
- 负责接收和解析来自应用程序的请求
- 将请求分发到相应的处理组件
硬件加速器操作执行器：
- 负责在硬件加速器上执行具体的计算操作
- 管理操作的生命周期
- 监控操作的执行状态
数据交换机制：
- 管理主机与硬件加速器之间的数据传输
- 优化数据传输性能，减少延迟
- 确保数据完整性和一致性
硬件加速器配置管理：
- 处理硬件加速器的初始化和配置
- 管理不同类型加速器的特定配置参数
- 确保配置符合安全要求
状态监控器：
- 实时监控硬件加速器的运行状态
- 检测状态异常并触发相应的处理流程
- 提供状态查询接口
并行计算管理：
- 优化任务在硬件加速器上的并行执行
- 管理多核计算资源的分配
- 平衡计算负载以提高效率
错误检测与修正：
- 检测同步和异步错误
- 实现错误恢复机制
- 确保系统在错误发生后能够回到安全状态

2.3 接口设计

SHWA提供了一组结构良好的接口，以支持各种硬件加速需求。下图展示了SHWA的类图和接口设计：

在这里插入图片描述

图2.3 SHWA类图及接口设计

类图展示了SHWA的核心接口和数据结构：

IHardwareAccelerator接口：
- 提供硬件加速器的标准操作API
- 包括初始化、配置、执行操作、状态查询等方法
- 定义了错误处理和数据交换的接口
HardwareAccelerator类：
- 实现IHardwareAccelerator接口
- 管理硬件加速器的状态和配置
- 协调错误处理和数据交换
HWAManager类：
- 管理多个硬件加速器实例
- 提供加速器注册和查询功能
- 维护支持的加速器列表
HWAStatus枚举：
- 定义硬件加速器的各种状态
- 从UNINITIALIZED到SHUTDOWN的完整状态集
配置和数据类：
- HWAConfig：定义加速器配置参数
- OperationData：封装操作数据和参数
- DataExchangeManager：管理数据缓冲区和传输
错误处理类：
- ErrorHandler：处理同步和异步错误
- 提供错误恢复和日志记录功能
类型枚举：
- AcceleratorType：定义支持的加速器类型(GPU、FPGA、DSP等)
- SafetyLevel：定义安全级别(ASIL-A到ASIL-D)
- ErrorType：定义错误类型分类

3. 状态管理

3.1 状态转换模型

SHWA使用状态机模型管理硬件加速器的生命周期和运行状态。下图展示了硬件加速器的状态转换图：

在这里插入图片描述

图3.1 硬件加速器状态转换图

状态图展示了硬件加速器的完整生命周期和状态转换路径：

主要状态：
- 未初始化：硬件加速器尚未初始化，无法执行任何操作
- 已初始化：硬件加速器已完成初始化，但尚未配置具体操作参数
- 配置中：正在配置硬件加速器，设置操作参数
- 就绪：硬件加速器已配置完成，可以开始执行任务
- 运行中：硬件加速器正在执行计算任务
- 暂停：已暂停执行中的任务，可以恢复或终止
- 错误：发生错误状态，需要处理或恢复
- 恢复中：正在从错误状态恢复
- 关闭中：正在关闭硬件加速器，释放资源
错误状态细分：
- 同步错误：在执行用户程序时发生的错误，需要在原地处理
- 异步错误：与用户程序无关的硬件错误，需要专门的错误处理程序
主要转换路径：
- 正常操作路径：未初始化 → 已初始化 → 配置中 → 就绪 → 运行中 → 关闭中
- 暂停恢复路径：运行中 ↔ 暂停
- 错误处理路径：（运行中/就绪/暂停）→ 错误 → 恢复中 → （就绪/关闭中）

3.2 状态监控机制

SHWA通过状态监控机制实时跟踪硬件加速器的状态，确保应用程序能够及时感知状态变化并采取适当的措施。状态监控机制主要包括：

状态查询接口：
- 提供同步查询当前状态的API
- 返回标准化的状态码和描述信息
状态变化通知：
- 支持异步状态变化通知机制
- 应用程序可以注册状态变化回调函数
状态超时监控：
- 监控状态转换超时情况
- 在预定时间内未完成状态转换时触发错误处理
健康检查：
- 定期检查硬件加速器的健康状态
- 发现异常时主动触发状态转换

4. 交互流程

4.1 初始化与配置

SHWA与应用程序及硬件加速器之间的交互遵循特定的序列和规则。下图展示了完整的交互序列图：

在这里插入图片描述

图4.1 SHWA交互序列图

序列图展示了应用程序、SHWA和硬件加速器之间的完整交互过程，分为初始化与配置、数据准备与任务执行、以及关闭三个主要阶段：

初始化与配置阶段：
- 应用程序请求初始化硬件加速器
- SHWA API将请求转发给配置管理器
- 配置管理器初始化硬件加速器并返回状态
- 应用程序请求配置硬件加速器
- 配置管理器应用配置并返回状态
数据准备与任务执行阶段：
- 应用程序提交计算任务和数据
- 数据交换机制将数据传输到硬件加速器
- 执行引擎启动计算任务
- 状态监控器并行监控执行状态
- 错误处理器在需要时处理错误
- 计算完成后，数据交换机制获取结果
- SHWA API将结果返回给应用程序
关闭阶段：
- 应用程序请求关闭加速器
- 配置管理器执行关闭操作
- 硬件加速器资源被释放