分析针对汽车应用的性能要求

MARKET WATCH分 析 针 对 汽 车 应 用 的 性 能 要 求作 者Markus Levy,EEMBC纲 要设 计 人 员 需 要 具 体 针 对 汽 车应 用 的 基 准 , 以 便 在 现 有 的 嵌 入 式微 控 制 器 中 做 出 明 智 的 选 择 。 本 文概 述 了 开 发 这 类 基 准 时 将 会 遇 到 的挑 战 , 要 点 包 括 建 立 相 应 基 准 , 这些 基 准 可 以 与 具 体 O E M 规 格 相 匹配 , 同 时 能 够 在 新 要 求 出 台 后 随 汽车 标 准 演 变 , 而 不 需 要 很 长 的 开 发周 期 。在 污 染 控 制 、 燃 油 经 济 性 、 效 率 和通 用 性 等 方 面 , 对 动 力 系 统 的 要 求 不 断 增长 , 而 微 控 制 器 的 发 展 必 须 与 此 保 持 一致 。 变 速 箱 控 制 、 与 发 动 机 的 整 合 甚 至 汽车 操 控 都 使 汽 车 微 控 制 器 承 担 的 任 务 更为 繁 重 。 对 于 动 力 系 统 应 用 ( 可 能 会 涉 及发 动 机 、 变 速 箱 的 管 理 , 或 许 还 有 差 速 器或 驱 动 桥 ), 更 严 格 的 排 放 控 制 规 定 ( 如美 国 的 U LE V 和 欧 洲 的 欧 4 标 准 ) 需 要 更为 复 杂 的 建 模 工 作 , 以 阐 明 发 动 机 的 行为 。 与 政 府 机 构 一 道 , 消 费 者 也 更 加 青 睐能 够 用 较 少 燃 油 产 生 更 大 动 力 的 小 型 、 轻型 汽 车 , 这 一 要 求 在 石 油 供 应 不 稳 定 或 日趋 昂 贵 的 今 天 显 得 愈 加 紧 迫 。之 前 的 发 动 机 控 制 装 置 采 用 较 为 简单 的 状 态 机 和 查 找 表 来 说 明 有 关 燃 油 输送 和 火 花 产 生 过 程 的 各 项 参 数 。 较 新 的 方法 所 利 用 的 模 型 则 纳 入 了 许 多 新 参 数 ( 例如 磨 耗 ), 使 查 找 表 更 加 细 化 , 以 便 采 用更 为 复 杂 的 控 制 算 法 。 对 气 缸 内 燃 烧 过程 的 实 时 分 析 随 时 间 而 逐 渐 改 进 , 使 传 统的 查 找 表 变 成 了 动 态 燃 油 管 理 系 统 。 由 于这 类 变 化 , 人 们 愈 加 需 要 提 高 针 对 发 动 机的 处 理 能 力 。 此 外 , 由 于 发 动 机 与 变 速 箱之 间 的 协 调 更 为 精 密 、 以 及 向 适 应 性 车 身控 制 的 转 变 , 系 统 的 复 杂 性 大 大 上 升 。 混合 动 力 汽 车 对 车 载 处 理 器 的 性 能 提 出 了更 多 要 求 , 因 为 需 要 加 入 新 的 控 制 策 略 。混 合 汽 车 近 来 取 得 的 成 功 表 明 , 无 论 采用 哪 种 燃 料 , 消 费 者 的 需 求 和 来 自 政 府 的鼓 励 将 继 续 吸 引 汽 车 厂 家 提 高 燃 油 经 济性 。应 对 日 渐 增 长 的 系 统 复 杂 性幸 运 的 是 , 微 控 制 器 和 微 处 理 器(M P U) 已 经 在 高 速 发 展 , 例 如 采 用 多核 、 提 高 频 率 、 扩 大 内 存 、 添 加 新 外 设 并改 进 原 有 外 设 。 现 有 微 控 制 器 的 能 力 要 比它 的 前 辈 强 数 百 倍 。 对 于 汽 车 应 用 , 这 种高 性 能 中 的 一 部 分 被 用 于 增 强 功 能 、 稳 健性 或 进 行 自 测 试 。 通 过 在 多 种 应 用 中 采 用统 一 的 软 件 平 台 和 可 重 复 使 用 的 软 件 模块 , 更 多 的 部 分 则 被 用 于 管 理 复 杂 性 以 及降 低 系 统 成 本 。 这 一 工 作 的 关 键 在 于 开 发出 独 立 于 硬 件 的 软 件 。 为 了 降 低 成 本 , 之前 在 硬 件 中 完 成 的 功 能 ( 如 用 于 发 动 机 管理 的 爆 燃 信 号 调 节 ) 现 在 可 以 在 高 性 能 微控 制 器 上 由 软 件 执 行 。向 独 立 于 硬 件 的 软 件 转 变 , 这 使 软 件开 发 工 作 显 得 更 加 重 要 。 幸 运 的 是 , 可 以借 助 自 动 代 码 生 成 功 能 来 加 快 代 码 开 发和 算 法 质 量 确 认 工 作 。 这 将 帮 助 程 序 员 更加 方 便 地 提 取 遗 留 代 码 。 这 种 性 能 的 提 高为 多 种 应 用 和 产 业 界 带 来 了 新 的 机 会 , 从而 能 够 对 应 用 界 面 进 行 标 准 化 , 开 发 封 装式 透 明 软 件 , 以 及 实 现 软 件 自 测 试 。高 级 基 准 测 试 的 优 点标 准 化 基 准 的 目 的 是 公 正 地 表 现 特定 应 用 中 通 常 执 行 的 操 作 。 但 每 种 具 体实 施 都 有 所 不 同 。 有 的 可 能 提 供 更 多 功能 , 有 的 可 能 经 过 编 译 以 提 高 速 度 , 有 的可 能 直 接 用 汇 编 编 程 、 而 非 更 臃 肿 的 编译 代 码 。 设 计 人 员 需 要 确 定 自 己 的 算 法性 能 如 何 、 以 及 系 统 管 理 软 件 在 不 同 处理 器 上 的 运 行 表 现 , 而 这 一 工 作 往 往 十分 困 难 , 令 人 沮 丧 。 为 了 尽 可 能 地 做 到 详细 , 需 要 对 每 项 测 试 都 编 写 不 同 的 系 统和 代 码 。 这 种 严 格 的 方 法 消 除 了 任 何 不 确定 性 , 但 同 时 也 会 大 大 拖 延 上 市 时 间 。 不过 , 如 果 设 计 人 员 能 够 获 得 目 标 应 用 的 工作 量 特 性 和 基 准 的 工 作 量 特 性 , 就 可 以兼 顾 严 格 性 与 速 度 。 在 选 择 基 准 方 面 进行 适 当 的 努 力 , 可 以 找 到 所 设 计 应 用 的 完美 代 表 , 从 而 挑 选 出 最 适 合 该 项 工 作 的处 理 器 。 寻 找 正 确 处 理 器 的 一 种 更 好 的方 法 就 是 把 基 准 的 主 要 特 性 与 目 标 应 用的 工 作 量 匹 配 起 来 。第 一 步 是 按 照 一 些 精 心 挑 选 的 参数 , 对 众 多 标 准 基 准 的 行 为 进 行 表 征 。 难点 在 于 确 定 最 为 重 要 的 特 性 , 并 找 到 针 对Information Quarterly Number 7, Autumn 2007[64]

MARKET WATCH这 些 特 性 的 评 价 方 法 。 通 过 分 析 基 准 程序 所 执 行 的 指 令 类 型 , 我 们 可 以 了 解 指 令混 合 以 及 它 对 性 能 的 影 响 。 发 生 了 多 少 次数 据 读 写 ? 按 照 什 么 频 率 进 行 条 件 测 试 ?发 生 了 多 少 次 跳 转 ? 运 行 了 多 少 简 单 算 术或 逻 辑 运 算 ? 执 行 了 多 少 复 杂 指 令 ? 最 后还 有 , 运 行 代 码 时 可 以 实 现 哪 类 并 行 性 ,这 一 程 序 可 以 利 用 的 最 佳 单 位 周 期 指 令数 是 多 少 ? 上 述 每 一 项 都 可 以 表 述 为 一 项基 准 , 并 放 在 类 似 图 1 的 图 表 中 。此 外 , 程 序 中 还 有 相 关 特 性 , 突 出 说明 程 序 运 行 状 态 最 佳 时 的 物 理 环 境 , 例如 高 速 缓 存 组 织 的 影 响 、 内 存 足 迹 、 以 及分 支 预 测 的 准 确 性 。 最 佳 单 位 周 期 指 令数 来 自 于 对 指 令 混 合 及 使 用 情 况 的 分 析 。通 过 用 这 种 方 式 进 行 基 准 表 征 , 我 们 可 以了 解 为 什 么 在 采 用 设 计 人 员 的 代 码 时 、 某些 处 理 器 的 表 现 更 好 。 基 准 中 理 想 的 高速 缓 存 大 小 是 多 少 , 与 基 准 的 关 联 如 何 ?循 环 及 分 支 的 执 行 频 率 是 多 少 ? 条 件 数据 的 可 变 性 / 随 机 性 会 妨 碍 分 支 预 测 机 制吗 ? 指 令 及 数 据 是 否 多 样 , 足 以 在 处 理 器流 水 线 中 最 大 程 度 地 实 现 并 行 性 ? 数 据是 在 缓 存 中 , 还 是 在 整 个 内 存 映 射 中 ?长 期 以 来 , 微 处 理 器 设 计 人 员 采 用 这些 方 式 研 究 典 型 程 序 代 码 , 以 便 决 定 如何 对 他 们 开 发 的 各 种 处 理 器 进 行 优 化 。最 终 , 做 出 的 选 择 界 定 了 每 种 处 理 器 : 单独 的 数 据 和 指 令 高 速 缓 存 ( 各 32KB),4路 组 相 联 , 每 行 32 字 节 ; 乘 法 硬 件 ;DSP100%80%60%40%20%0%CMPSubAddBranStoreLoadBenchmAMULLogicShiftMove图 1 确 定 程 序 的 指 令 执 行 混 合指 令 ; 超 标 量 , 七 级 流 水 线 等 等 。 这 样 ,处 理 器 可 以 良 好 地 满 足 范 围 广 泛 的 应 用要 求 , 但 有 可 能 并 不 会 很 好 适 合 某 一 种 特定 应 用 。工 作 量 描 述对 这 一 问 题 的 答 案 是 把 描 述 与 特 定应 用 直 接 联 系 起 来 。 采 用 适 当 的 设 备 ,人 们 可 以 对 OEM 的 主 要 应 用 软 件 进 行 描述 , 并 考 察 相 同 的 参 数 。 这 样 可 以 确 定 应用 的 工 作 量 要 求 , 并 勾 勒 出 运 行 这 种 应 用最 佳 的 行 为 和 架 构 。 这 是 一 个 新 颖 、 独 特而 有 价 值 的 步 骤 。 通 过 对 工 作 量 的 描 述 ,可 以 创 建 OEM 程 序 的 概 貌 , 后 者 可 能 属于 OEM 专 有 , 并 且 OEM 不 愿 意 将 其 与 外界 人 士 、 基 准 测 试 人 员 或 芯 片 供 应 商 分 享和 用 于 直 接 分 析 。 测 得 的 特 性 不 会 显 示 实际 代 码 ( 尽 管 它 可 能 会 指 示 极 端 情 况 , 如直 线 代 码 或 含 有 大 量 内 存 写 入 的 代 码 ),但 仍 会 提 供 足 够 的 信 息 , 以 便 进 行 有 效 的对 比 。接 着 , 将 目 标 应 用 的 工 作 量 特 性 与 参考 基 准 特 性 进 行 匹 配 。 可 能 需 要 跳 过 将 基准 分 组 纳 入 不 同 应 用 领 域 的 正 常 步 骤 , 以便 获 得 最 佳 结 果 。 例 如 ,JPEG 解 码 不 是汽 车 基 准 套 件 的 正 常 组 成 部 分 , 但 这 样 的基 准 可 能 会 相 当 接 近 发 动 机 控 制 应 用 中关 键 部 分 的 各 种 特 性 。 通 过 对 基 准 以 及最 终 设 备 软 件 的 正 确 表 征 , 可 以 把 二 者 良好 地 匹 配 起 来 。可 能 需 要 对 特 性 匹 配 情 况 良 好 的 基准 集 进 行 一 些 加 权 , 以 确 保 目 标 实 现 正 确平 衡 。 所 得 的 结 果 是 一 个 模 型 , 它 是 目 标应 用 的 完 美 代 表 , 并 按 照 由 应 用 设 计 人 员所 选 的 例 程 具 体 确 定 。 这 一 模 型 无 法 用理 论 方 法 获 得 , 也 不 大 可 能 与 竞 争 对 手 的应 用 相 似 。得 到 这 一 模 型 后 , 设 计 人 员 就 可 以 缩小 搜 索 范 围 , 以 便 找 出 最 适 合 该 应 用 的处 理 器 。 每 种 处 理 器 架 构 和 配 置 在 基 准模 型 集 上 的 表 现 都 会 不 同 , 各 种 编 译 器和 选 项 也 是 如 此 ( 无 论 单 独 还 是 组 合 )。通 过 研 究 底 层 基 准 的 模 型 和 处 理 器 得分 , 可 以 找 出 最 适 合 该 应 用 的 处 理 器 和 编译 器 。 对 于 已 经 用 标 准 化 基 准 评 测 过 的处 理 器 和 编 译 器 , 应 该 可 以 轻 松 地 估 计出 它 们 对 于 OEM 自 己 的 应 用 代 码 的 兼 容性 以 及 性 能 。这 样 , 借 助 作 为 中 间 媒 介 的 标 准 基准 , 系 统 设 计 人 员 可 以 了 解 多 种 处 理 器 及配 置 的 真 实 能 力 和 性 能 。 基 准 不 仅 仅 是 制造 商 的 宣 称 , 还 是 按 照 受 控 方 式 、 在 众 多平 台 上 运 行 并 提 供 可 靠 结 果 的 、 有 意 义 的重 要 例 程 。 通 过 对 最 终 设 备 程 序 的 工 作量 描 述 , 设 计 人 员 可 以 了 解 与 所 设 计 的 具体 软 件 ( 而 非 它 的 某 些 普 通 版 本 ) 风 格 和内 容 有 关 的 是 哪 些 基 准 。 尽 管 有 许 多 选 项可 供 选 择 , 但 借 助 这 一 过 程 , 应 该 可 以 轻松 地 找 出 最 佳 的 技 术 解 决 方 案 , 并 在 系 统设 计 工 作 中 采 用 具 有 系 统 所 需 全 部 性 能的 处 理 器 。下 一 步 是 什 么 ?在 汽 车 工 业 中 , 电 子 工 程 包 含 了 范 围非 常 广 泛 、 要 求 千 差 万 别 的 应 用 。 对 微 控制 器 的 性 能 要 求 不 断 上 升 , 而 设 计 人 员 也在 寻 找 创 新 的 解 决 方 案 , 以 应 对 日 益 增 加的 复 杂 性 和 更 多 的 产 品 功 能 。 说 明 、 对 比和 测 量 真 实 性 能 的 工 作 比 以 往 任 何 时 候都 更 加 困 难 。 为 了 在 OEM、 一 级 厂 商 、 芯片 供 货 商 以 及 第 三 方 供 应 商 之 间 交 流 设备 期 望 数 据 和 进 行 系 统 确 认 , 我 们 需 要 新的 基 准 。 要 应 对 这 类 基 准 的 多 样 性 和 复杂 性 , 就 务 必 开 发 相 应 的 工 具 , 对 工 作 量进 行 表 征 , 生 成 基 准 程 序 代 码 , 启 动 I/O激 励 , 确 认 执 行 情 况 , 并 在 报 告 中 对 系 统性 能 进 行 量 化 说 明 。通 过 把 基 准 特 性 表 征 与 工 作 量 特 性表 征 结 合 起 来 , 程 序 员 可 以 准 确 地 判 断 各种 处 理 器 在 统 一 标 准 基 准 以 外 执 行 其 具体 程 序 时 的 表 现 。 这 不 需 要 对 架 构 进 行写 入 或 编 译 , 也 不 必 披 露 其 专 有 代 码 。 在基 准 测 试 方 面 取 得 的 这 些 重 大 进 展即 将 投 入 应 用 , 并 成 为 EEM BC 汽 车套 件 的 一 部 分 。Information Quarterly Number 7, Autumn 2007[65]