中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0100-03

AMethod for Softwareand HardwareDesignofBoard-level HeterogeneousMulti-modeCommunication

LiRui，DuBin，WangYuanbo

（Shaanxi Tianxingjian IoV Information Technology Co.，Ltd.，Xi'an 7102Oo，China）

【Abstract】With therapid development of vehiclenetworking technologyand the increase of complexityof vehicle electroniccontrolunit，traditional single processorcannotmeet the increasinglycomplexanddiversified needsof data interactionand processing.This paper proposesamulti-mode communication mechanism between heterogeneous coresat board level，designs ahardware platform integrating high-real-time MCUand high-performance SOC，and describes the hardwarestructureof heterogeneous multi-modecommunication.Onthis basis，a lightweightcomponentizedsoftware designschemeof layering，lowcouplingand highcohesion is proposed，and thecommunication mechanismof driver layer，interface layer，networklayer，protocollayer，transport layerandapplicationlayerisexpounded.This mechanismnot onlyimproves the computing eficiencyof heterogeneous multi-coreenvironment，but alsorealizes the optimization of processor performance and improves the quality of communication data.

【Key words】vehicle networking；internuclear communication；MCU；SOC；heterogeneous processor

0 引言

隨著網(wǎng)聯(lián)汽車的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)交互與處理的需求日益復(fù)雜和多樣化。傳統(tǒng)單處理器難以滿足控制器所承載的應(yīng)用場景需求，控制器需要多個處理器協(xié)同，才能實現(xiàn)其功能。在這一背景下，板級異構(gòu)核間多模通信技術(shù)應(yīng)運而生，成為推動網(wǎng)聯(lián)汽車域控化變革的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)旨在提高數(shù)據(jù)處理效率，提升數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)和保障信息傳輸安全，有望給網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)帶來革命性變化。

板級異構(gòu)核間多模通信指在一個控制單元上部署多個處理器，如實時性強的MCU、高性能CPU、圖形處理單元GPU和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器NPU等。這些處理器內(nèi)核可能采用不同指令集架構(gòu)，特性和功耗要求各異，難以集成在同一顆SOC芯片中。因此，為解決單芯片資源限制、業(yè)務(wù)功能劃分等難題，需設(shè)計一套板級異構(gòu)核間通信機制，確保不同處理器間實現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)交換與協(xié)同工作。實現(xiàn)這一目標的難點，主要集中在同步互斥處理、通信協(xié)議設(shè)計、軟硬件框架支持以及性能優(yōu)化等方面。通過軟硬件的緊密配合，可攻克這些難題，實現(xiàn)多核異構(gòu)系統(tǒng)的高效通信。

1方案設(shè)計

本方案以集成式車聯(lián)網(wǎng)終端為例，詳細闡述多核異構(gòu)核間通信的軟硬件設(shè)計。集成式車聯(lián)網(wǎng)終端的核心功能，包括整車數(shù)據(jù)交換、音視頻處理、邊緣計算，以及與管理平臺的數(shù)據(jù)交互。這些功能特性決定了無法采用現(xiàn)有“多功能芯片”實現(xiàn)，因此需采用強實時性的MCU和高性能SOC，共同完成控制器的核心功能。

本方案的核心目標，是讓每個處理器在完成自身工作的同時，通過多種通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的可靠性與實時性協(xié)同。

1.1 硬件設(shè)計

本方案的硬件由強實時性MCU和高性能SOC組成，后者集成了CPU、GPU和NPU。2個處理器通過UART、SPI和以太網(wǎng)3種接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的可靠性與實時性協(xié)同，具體架構(gòu)如圖1所示。

UART串口通信方式簡單，但速率較低，適用于交互不太頻繁的數(shù)據(jù)，如控制類數(shù)據(jù)。串口通信波特率一般不超過 115200b/s ，數(shù)據(jù)按字節(jié)順序發(fā)送，接收方需在收到數(shù)據(jù)后延時判斷是否接收完整，這大大降低了數(shù)據(jù)交互速度，不適用于大型數(shù)據(jù)交互。不過，串口每個字節(jié)都有奇偶校驗位，可進行錯誤檢查，數(shù)據(jù)可靠性較高，其通信原理如圖2所示。

SPI具有速度快、簡單、同步、全雙工的特點，占用IO資源少，波特率通?？蛇_20M以上，適用于部分整車信號傳輸。在兩顆處理器間設(shè)計SPI通信時，需考慮主機和從機均可隨時主動發(fā)起數(shù)據(jù)交互。根據(jù)圖1所示，SPI主節(jié)點MCU發(fā)送數(shù)據(jù)時，先拉低Tx_master，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后再拉高；SPI從節(jié)點SOC發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)長度放入發(fā)送寄存器，再拉高Tx_slave。此時，MCU的終端檢測到Tx_slave上升沿，SPI主節(jié)點產(chǎn)生Clock，讀取從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，然后按長度發(fā)送Clock，讀取完整數(shù)據(jù)，其通信原理如圖3所示。

以太網(wǎng)具備高速傳輸特性，在兩顆處理器間主要用于大數(shù)據(jù)和文件傳輸，如整車多路CAN同時接收的數(shù)據(jù)從MCU透傳至SOC，以及OTA過程中數(shù)據(jù)包的傳輸?shù)葓鼍?。為減少接口使用，本方案選用RMII接口，該接口主要包括MAC層到物理層的發(fā)送接口、接收接口、時鐘接口和數(shù)據(jù)管理，其通信原理如圖4所示。

1.2 軟件設(shè)計

異構(gòu)多核系統(tǒng)集成了多種不同類型處理器，為確保系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性，需實現(xiàn)處理器間的高效數(shù)據(jù)通信與協(xié)同工作。因此，軟件設(shè)計的目標是構(gòu)建高效合理的通信機制，以及分層、低耦合、高內(nèi)聚的輕量級組件化軟件架構(gòu)，簡化軟件開發(fā)流程，適配不同通信需求和硬件特性，提供低時延、高可靠性和高傳輸速率的通信方法。

通信組件軟件架構(gòu)按應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、接口層和驅(qū)動層進行設(shè)計，具體架構(gòu)如圖5所示。

1）驅(qū)動層。負責配置各通信接口硬件，如實現(xiàn) 以太網(wǎng)、串口和SPI驅(qū)動。

2）接口層。將驅(qū)動提供的接口進行抽象統(tǒng)一，屏蔽不同處理器的驅(qū)動差異，為上層提供統(tǒng)一接口，實現(xiàn)組件通用化。

3）網(wǎng)絡(luò)層。負責配置各通信接口網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧，以及串口和SPI的初始化、通道監(jiān)測與收發(fā)。通道監(jiān)測通過兩個處理器間同步心跳包，判斷通道是否正常建立。

4）傳輸層。主要進行數(shù)據(jù)編碼、解碼和CRC校驗。數(shù)據(jù)格式包括包頭Header、通道Channel（硬件通信接口ETH、UART、SPI）、數(shù)據(jù)類型Type（控制類、信號類、文件類）、有效負載長度Len和有效負載Payload（實際傳輸數(shù)據(jù)）。編碼后對整個數(shù)據(jù)包進行CRC校驗，對網(wǎng)絡(luò)層傳來的數(shù)據(jù)包也進行CRC校驗和解碼。同時，實時監(jiān)控各通信接口的繁忙程度，根據(jù)數(shù)據(jù)包類型（協(xié)議中的Type）和數(shù)據(jù)大小，選擇合適的通信接口。此外，傳輸層的消息服務(wù)品質(zhì)QualityofService根據(jù)應(yīng)用層的QosLevel，確保不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下消息傳遞的可靠性。

Qoslevel設(shè)計了2個等級。

Qos0表示消息最多傳遞一次。若接收方未收到，消息將丟失。發(fā)送方發(fā)送消息后，不再關(guān)注是否送達，不設(shè)置重發(fā)機制。

Qos1表示消息至少傳遞一次。設(shè)計了重發(fā)機制，包括消息發(fā)送后的計時單元。若一定時間內(nèi)未收到接收者的ACK，將重新發(fā)送消息，確保消息送達。接收方若收到Qos1消息，須在當前服務(wù)中回復(fù)ACK。

5）應(yīng)用層。只需按業(yè)務(wù)要求填充數(shù)據(jù)，并將其傳送至傳輸層。填充數(shù)據(jù)包括當前數(shù)據(jù)類型Type、數(shù)據(jù)長度Len、有效負載數(shù)據(jù)Payload和當前數(shù)據(jù)包的消息品質(zhì)等級。應(yīng)用層無需關(guān)注消息通過哪個通信接口傳送，也無需關(guān)心是否超時或重發(fā)，簡化了應(yīng)用開發(fā)者的工作流程。

2方案特點

板級異構(gòu)核間多模通信方法的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）性能提升：結(jié)合異步串口通信、同步SPI和以太網(wǎng)等不同類型通信接口，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和大小，通過監(jiān)聽通信接口，將數(shù)據(jù)分發(fā)到最合適的接口傳輸，提升信息傳輸性能。

2）靈活性：板級異構(gòu)核間多模通信系統(tǒng)能適應(yīng)多種硬件平臺，通過接口層屏蔽硬件平臺差異，實現(xiàn)低耦合、高內(nèi)聚，具備較強的可移植性。

3）并行處理：不同類型的消息可并行傳輸，實現(xiàn)任務(wù)級別的并行處理，這種并行可以進一步提高系統(tǒng)板級異構(gòu)核間的通信性能，從而提升整個系統(tǒng)的性能。

3性能比較

與單串口、單SPI、以太網(wǎng)、雙口RAM等傳統(tǒng)雙CPU通信方式相比，本方案的板級異構(gòu)核間多模通信在通信速度、成本和性能等方面具有明顯優(yōu)勢，具體優(yōu)劣對比見表1。

4 應(yīng)用價值

該方法廣泛應(yīng)用于網(wǎng)聯(lián)信息域、座艙域和自動駕駛域控制器設(shè)計。隨著整車控制器的域化發(fā)展，單一處理器無法滿足復(fù)雜多樣的需求，需要不同類型處理器相互配合完成業(yè)務(wù)處理，這對板上處理器間的通信提出了更高要求。因此，設(shè)計高效、高性能、穩(wěn)定的板級異構(gòu)核間多模通信軟硬件方法至關(guān)重要。

5結(jié)束語

綜上所述，本方法通過多種硬件通信接口，滿足不同類型的數(shù)據(jù)傳輸需求，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。軟件通過分層解耦和組件化方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)、通信接口連接監(jiān)聽、消息重發(fā)和通信接口繁忙監(jiān)聽。本方法實現(xiàn)的組件移植性強，只需根據(jù)平臺差異適配驅(qū)動層，即可完成組件移植應(yīng)用。板級異構(gòu)核間多模通信不僅提高了數(shù)據(jù)處理效率，還提升了數(shù)據(jù)品質(zhì)，為網(wǎng)聯(lián)汽車的域控化變革提供了有力的技術(shù)支撐。

參考文獻

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（編輯凌波）