多核OS部署方案与性能优化策略

前 言

大家好，今天小T要和大家聊一个既有挑战性又充满机遇的话题—多核OS在汽车ECU中的部署与优化策略。作为一个在汽车电子领域摸爬滚打多年的工程师，我深切感受到了这个行业正在经历的巨大变革。

从最初的单核MCU到如今的多核SoC，汽车软件架构正在发生翻天覆地的变化，系统方案也从单核单OS不断向多核OS进化，而多核OS中的资源分配，内存优化等难题又是我们不断攻破的技术点，本文结合理论与实际案例分享，将和大家深入探讨多核OS的部署方案与优化策略，希望能让大家对多核OS部署方案有些启发。

为便于大家理解，以下是本文的思维大纲：

01 从"功耗墙"说起：多核时代的必然到来

还记得十几年前，我们做ECU开发时，硬件性能提升简直就是"躺赢"——芯片厂商每年都会推出更快的单核处理器，我们的软件性能也跟着水涨船高，基本不需要做太多适配工作。

但好景不长，大约在2010年代初期，整个行业遇到了一个"天花板"——功耗墙问题。简单来说，就是由于电流密度和功耗的急剧上升，传统的单核性能提升路径走到了尽头。当时英特尔在桌面处理器领域率先推出多核芯片来解决这个问题，汽车行业虽然起步稍晚，但也不得不面对同样的挑战。

为什么汽车行业特别需要多核？

1. 功能集成度要求：现代汽车越来越多地采用集中式架构，需要在更少的ECU中集成更多功能，这对处理能力提出了更高要求。

2. 实时性和安全性：汽车系统对实时响应和功能安全有着严格要求，多核架构可以更好地实现负载隔离和故障处理。

3. 成本控制压力：通过多核集成可以减少整车的ECU数量，从而降低硬件总成本。

02 多核OS基础理论大揭秘

在深入实战案例之前，让我们先来理解一些多核OS的基础概念。作为工程师，理论基础扎实了，实践起来才能游刃有余。

2.1 多核架构的两种主要形态

同构（homogeneous） vs 异构（heterogeneous）

•同构（homogeneous）：所有核心都是相同的，就像一个班级里的学生都有相同的能力，可以互相替代执行任务。

•异构（heterogeneous）：不同核心有不同的专长，比如有的核心专门处理图像，有的专门处理通信，各司其职。

实际应用中，大多数汽车芯片采用的是混合架构——既有多个相同的"主"核心，也有一些专用核心来加速特定功能。比如，最为常见的一个应用场景就是有一个专门的硬件安全模块(HSM)来处理加密算法。

内存架构的复杂性

多核系统的内存设计也很有讲究：

• 共享内存：所有核心都可以访问，但可能存在访问竞争

• 私有内存：每个核心独有，访问速度快但不能共享

不同内存区域的访问时间差异很大，合理的内存布局通常可以带来约10%的性能提升。这就像是城市规划，把经常需要交互的功能放在一起，可以大大减少"通勤"时间，现实中最为常见的例子就是苏州工业园区的“邻里中心”。

2.2 多核ECU Partition与Os Application关系

在理解多核部署方案之前，有如下两个最为重要的概念我们必须搞清楚：

• ECU Partition：顾名思义就是软件分区，是在硬件层面上对多核操作系统内的部分功能或要素的分割，目的就是防止在某一个分区中发生的故障影响到同一ECU上的其他分区。
• Os Application：这个是AUTOSAR OS针对其内部的Task，isr，Alarm，Event等一系列元素的集合，不同OsApplication的元素不能够互相访问，同时针对OS Application的权限也有管理，保证不同OS Application的访问权限。

如下图就展示了ECU Partitions，OS Applications，Cores三者之间的关系：

由上图我们可以得出几个基本结论：

• 对于多核OS而言，每个Core 至少存在一个ECU Partition，当然也就意味着一个Core内可以允许多个Partition同时存在；
• 对于多核OS而言，由于OS Application自身就是为隔离OS相关元素而存在，因此每个ECU Partion应当同时有一个OS Application来对应来最终完成OS相关元素的隔离；
• 在每个OS Application内部可以自由创建属于各自的OS Tasks，ISRS等；
• 不同Core之间采用AUTOSAR OS定义的IOC机制来实现核间通信，IOC通信交互的对象是OS Application，本质上来讲还是基于共享内存的通信。

2.3 阿姆达尔定律：理想与现实的差距

很多人初接触多核时都会有一个朴素的想法：两个核心不就应该有两倍的性能吗？但现实往往比理想骨感。

阿姆达尔定律告诉我们，系统的整体性能提升受限于无法并行化的部分。即使有无限多的核心，如果程序中有30%的代码必须串行执行（并行部分70%），则最大理论加速比约1/0.3≈3.33

更严峻的是，实际情况中还有很多额外的"摩擦成本"：

同步和通信开销：不同核心之间需要交换数据时，就像两个人在嘈杂环境中对话，需要额外的时间和精力来确保信息传递准确。

上下文切换成本：CPU在不同任务间切换时需要保存和恢复状态，这个过程在不同的处理器上差异巨大——从简单MCU的几个时钟周期，到复杂SoC可能需要的数百万个周期。

资源争用问题：就像高峰期的地铁站，如果多个核心都要使用同一个硬件资源，就会形成瓶颈，其他核心只能排队等待。

2.4 AUTOSAR多核标准的演进历程

为了解决上述问题，AUTOSAR作为汽车软件的行业标准，在多核支持方面也经历了一个演进过程。

AUTOSAR 4.0.1版本：首次引入多核支持，但实现方式比较简单粗暴——完整的基础软件运行在一个核心上，其他核心通过远程过程调用来访问。这种方式虽然实现了多核功能，但性能表现并不理想。

AUTOSAR 4.1.1版本：引入了"分区系统中增强的BSW分配"概念，也就是我们常说的主/从模式。这种架构允许将基础软件的某些模块分布到不同核心上，从而获得更好的性能表现。

主/从架构的核心思想是：将需要频繁被应用软件调用的BSW模块拆分，主模块负责控制底层硬件，从模块为其他核心的应用软件提供本地访问接口，减少跨核调用的开销。

2.5 多核系统的五大“性能杀手”

在多核嵌入式系统中，开发者往往期望“多核 = 多倍性能”，但实际中有五个典型瓶颈点极易拖慢系统运行效率，如下图所示：

2.5.1 同步通信开销

在多核系统中不同核心往往需要交换数据，比如Core1的Asw可能需要访问部署在Core 0上的通信协议栈，此时就会通过中断，缓存，操作系统的进程间通信(如AUTOSAR的IOC)实现数据同步。

这种“同步”的本质就是等待，必须等到Core1的通信协议栈相关操作完成之后才能进行下一步动作，因此如果传输的数据量较大，那么这个等待的时间自然会被拉长，调用核心将会被阻塞进而导致其他任务延迟。

典型场景：调用NvM时主核等待副核的Flash写入完成，结果引发任务堆叠，影响实时性。

2.5.2 上下文切换开销

上下文切换是指CPU从一个任务切换到另一个任务时，保存和恢复相关寄存器、堆栈等运行状态。

在嵌入式系统中，尤其是带MMU的处理器或具有缓存一致性协议的SoC平台，上下文切换带来的开销可能从几十个CPU周期暴涨到数千甚至数百万周期（如触发Cache刷新或TLB失效）。

典型场景：多核中的异步事件交互越多，任务调度越频繁，切换代价越大。

2.5.3 资源争用

虽然存在多个核心，但外围设备、外部RAM、串行通信接口等往往都会共享，若两个核心同时访问一个资源（如eMMC），就会发生竞争。

操作系统通常通过互斥锁、信号量等机制协调访问，这类同步机制又进一步引入阻塞和切换开销。

典型场景：多个核同时写入日志文件或访问统一的CAN控制器，引发系统级抖动或锁死。

2.5.4 干扰效用

干扰效应即“你用你的，我也受影响”。即使两个核访问不同的外设或内存区域，只要它们连接在相同的总线上（如AXI总线），就可能因访问仲裁而互相拖慢。

典型场景： R5F核访问OCMC时被A核高速DDR DMA任务干扰，导致运行时间倍增。

2.5.5 内存分配

不同核心访问的内存地址物理位置不同，访问速度差异可能达到数量级。

例如：

• TCM（紧耦合内存）访问最快；

• OCMC较快；

• DDR延迟高，跨核访问更慢；

简而言之就是距离CPU核心越近，访问速度越快，距离CPU核心越远，访问速度越慢。

典型场景：一般我们优先将高频执行的代码，如中断向量表，OS调度函数等放入TCM内存中，其他低频调用代码可放入到OCMC或者DDR中。

03 多核OS部署性能优化常见策略

本文结合当前ETAS工具链的多核部署能力，重点举例说明下在不同多核OS部署应用难题下的高效解决方案，希望能够给大家带来些许启发。

3.1 负载均衡的艺术—拯救"过劳死"的Core 0

案例背景：某整车厂的双核ECU项目遇到了典型的"一核过劳，一核闲置"问题。通过运行时测量发现，Core 0的负载接近饱和（几乎达到100%），而Core 1却有大量空闲资源。

问题根因：

完整通信协议栈占用CPU资源较高。

创新解决思路：

• 精准迁移：将占用15%运行时的完整通信协议栈从Core 0迁移至Core 1；
• 权衡取舍：虽然总负载增加了4%（因为新增了跨核调用开销），但成功将Core 0的过载问题降至合理水平；

• 后续优化：通过诊断协议栈迁移和内存分配优化，进一步降低了运行时增幅；

关键启示：多核优化并非"分布越分散越好"，而要明确优化目标。有时候为了解决关键核心的性能瓶颈，适当增加总体开销是值得的。

3.2 削峰填谷的智慧——驯服运行时间的"野兽"

案例背景：某一级供应商的制动系统多核ECU虽然平均负载正常，但在某些运行时峰值期间表现不佳。

问题根因：

问题出现在通信协议栈的Com_MainFunctionRx函数上——该函数每5毫秒处理一次数据，但部分应用软件只需要每40毫秒的数据，造成了8倍的处理冗余。

创新解决方案：

• 智能拆分：将单一的Com_MainFunction拆分为多个具有不同周期的主函数

• Com_MainFunctionRx_5ms：处理8个高频PDU
• Com_MainFunctionRx_10ms：处理24个中频PDU
• Com_MainFunctionRx_20ms：处理45个PDU
• Com_MainFunctionRx_40ms：处理43个低频PDU

• 按需分配：将PDU分配给与最终读取数据的应用软件周期相匹配的函数

• 中断优化：将大部分Rx指示处理流程移出中断上下文

关键启示：通信协议栈采用分层架构，底层负责帧的打包解包等速度优化任务，计算量较小；而高层级（PduR及以上）承担主要负载。因此在PDU路由器层级进行分配能够最有效地匹配应用软件分布。

建议在较低层级采用Event触发， 而对于高层级则采用轮询处理，信号到各个核心的分配则是在PDUR层级进行执行。

3.3 一主多从的艺术—Bsw主从分布式分区架构设计

案例背景：

某客户ECU上的Core 1 Asw需要访问Core 0上的NvM模块接口进行数据访问，直接通过核间通信调用NvM模块时可能会发生请求时间过长，进而影响Core1上其他任务的执行。

问题根因：

Core1上的Asw调用Core 0 上的NvM Bsw模块属于同步调用，导致核间通信开销很大。

创新解决方案：

为了解决该问题，引入一主多从的Bsw主从分布式软件架构设计方案，如下图所示，通过在Core0的OsApp A分区的NVM模块作为主模块，而其他分区的如OsAppB作为NvM从模块。

主模块负责处理来自各个分区的Block请求，而从模块提供给到各自分区的NvM接口与主模块一致，让所有应用层对底层访问无感，这样各个分区的SWC请求处理就会更加高效，即使存储多个NVM请求，也可以进行缓存buffer处理，不会影响到各自分区其他的执行。

关键启示：

例如其他需要被Asw访问的高频模块Dem，Fim，WdgM也可类似的思路进行设计，采用一主多从+异步式访问方式这样可以大大降低不必要的核间通信阻塞，提高核间通信效率。

如下图所示，在通信协议栈中由于COM层是整个通信协议栈的最顶层，负责PDU到Signal级别的解析功能，而其下层则是PDUR，因此通信协议栈如何分核部署，那么自然就需要针对PDUR模块进行拆分。

通信存在如下三类场景：

• 对于同一核心不同分区可采用IOC通信方式来传递数据给到ETAS专用模块RTE AdderAdaptor ，由该模块再调用COM接口收发数据；
• 对于同一模块同一分区则直接调用Com标准模块接口收发数据即可；
• 对于Core 1的SWC需要发送消息至Core0的CAN控制器时，此时数据传递至Com层级之后，便会通过PDUR进行数据传递即可。

3.4 多主设计的艺术—通信协议栈单独部署

案例背景：

有些ECU既存在CAN ，Eth等多种总线形式，如果均放入到同一个Core，就会导致某一个Core的负载急剧上升，因此有必要均衡下负载。

问题根因：

各类通信协议栈占用CPU算力资源很高，容易导致单Core负载过高，引发系统性风险。

创新解决方案：

可以将CAN，Ethernet等通信协议栈在不同的Core进行单独部署，同时各个SWC与对应的通信接口匹配部署到不同的Core。

关键启示：如果底层通信控制器模块支持挂载到任意Core上时，此时有必要考虑将不同通信协议栈单独部署到不同的Core中，那么便可以大大均衡CPU负载,这样便形成了“多主设计”。

3.5 从零开始的完美设计——五核网关ECU创新设计

案例背景：

某客户的新一代网关ECU需要实现总线镜像功能，采用高度分布式通信协议栈的五核架构。这是一个完全从零开始的创新项目，需要在极具挑战性的时间周期内实现多项创新需求。

问题难点：

需要在该网关中实现多种不同通信协议栈的部署，同时要保证系统通信效率最高。

创新解决方案：

通过基于PDUR来实现不同层级的最优连接，来最终形成最大化性能核间通信协议栈部署方案，相当于将上述“一主多从+多主”架构模式巧妙得结合在一起，最大化系统核间通信效率。

关键启示：很多时候创新技术并不一定要“无中生有”，更多得还是“整合优化”，往往会取得意想不到的效果。

架构精髓：

• 分层分布：在PduR层级实现各核心间的信息传递；

• 任务导向：通信协议栈实现使得处理负载能够极精细化分布；

• 总线专核：每个核心专门处理特定的总线（CAN、LIN、Ethernet等）；

创新突破：通过ETAS专有的XCoreCDD（跨核复杂设备驱动）实现无锁机制的核间数据传输，不仅消除了系统阻塞，还减少了核间等待时间，实现了真正的并行处理。

04 多核OS方案优化精髓与哲学思考

4.1 负载均衡的智慧

核心思想：孔子提出的"中庸"强调在极端之间寻找平衡点，这与负载均衡的核心思想高度契合。老子提出的“反者道之动”自然也是提倡万事万物不可走极端，否则就极易引发系统性风险。

在负载均衡中的体现：

• 避免极端化：防止某些节点过载而其他节点空闲；
• 动态调节：根据实时状况调整分配策略；
• 和谐统一：整个系统达到最优的整体性能；

4.2 主/从架构的智慧

核心思想：通过科学的方法提高组织效率，强调专业化分工和标准化流程，中央与地方既独立又统一关系。

在主从架构中的体现：

• Master专门负责整体管理和协调，承担中央角色；

• Slave专门负责收集，计算和执行，承担地方角色 ；

• 每个组件都有明确的专业职能，职责清晰明确；

• 通过专业化，互相配合提高整体效率；

4.3 架构方案选择的智慧

核心思想：世界上没有任何一个架构可以放之四海而皆准，设计出最佳架构方案的前提就是要保持具体问题具体分析的态度。

在架构方案选择中的体现如下：

• 选择集中跟分布不应该一成不变，应当在分布中有集中，集中也有分布，而不是追求一味的集中或者是一味的分布均不可取；

• 奥卡姆剃刀原理："如无必要，勿增实体"，大道至简，用最简单的方案解决最复杂的问题，往往是最佳方案。

05 结  语

多核OS的部署方案选择不仅是技术决策，更是哲学思辨的过程。它要求我们在复杂性与简洁性、性能与可靠性、通用性与专用性之间做出明智的权衡, 上述高效的解决方案给了不错的参考。

优秀的架构设计者不仅需要掌握技术细节，更需要具备系统性思维和哲学思辨能力，在多维度的约束条件下找到最优解。

在多核时代，系统设计的艺术在于如何在并发的混沌中创造秩序，在复杂的交互中实现简洁，在性能的追求中保持稳定。这正是多核OS架构设计方案的精髓所在，也是我们不断探索和完善的方向。

END

作者：汽车小T
来源：汽车电子与软件

推荐阅读：

• 一段式端到端终将消失，端到端智能驾驶新技术之思维链CoT
• 后碰撞预警RCW功能介绍
• 汽车电子中的debounce防抖机制
• 辅助驾驶2.0时代：J6M生态重构智驾供应商竞争格局，谁将在算力普惠浪潮中突围成黑马？

更多汽车电子干货请关注汽车电子与软件专栏。欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。