Optimierung von AUTOSAR-Multicore-Verteilungen: Praktische Überlegungen für Automobilsoftware

Der Übergang zu Multicore-Prozessoren in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie setzt zunehmend auf Multicore-Architekturen, um den wachsenden Anforderungen an fortschrittliche Funktionen und zentralisierte Fahrzeugarchitekturen gerecht zu werden. Ähnlich wie bei der Revolution im Desktop-Computing Anfang der 2000er Jahre müssen sich auch die heutigen Softwaresysteme weiterentwickeln, um das volle Potenzial von Multicore-Mikrocontrollern (MCUs) und System-on-Chip-Lösungen (SoCs) auszuschöpfen. Dieser Wandel stellt Entwickler vor große Herausforderungen und erfordert ein Umdenken in Bezug auf Software-Design, Konfiguration und Optimierung. ETAS, ein führender Anbieter von Softwarelösungen für die Automobilindustrie, ist seit jeher an der Spitze dieser Entwicklung und hat bereits 2009 den weltweit ersten Multicore-AUTOSAR-Stack für die Serienproduktion von Fahrzeugen entwickelt. Mit weltweit über 4 Milliarden ECUs, die auf ETAS RTA-CAR (RTA-Classic AUTOSAR) basieren, verfügt das Unternehmen über umfangreiche Erfahrung darin, Automobilkunden bei der Bewältigung der Komplexität von Multicore-Implementierungen zu unterstützen.

Die Herausforderungen der Parallelisierung und tief eingebetteter Systeme

Das bloße Hinzufügen weiterer Kerne führt nicht automatisch zu linearen Leistungssteigerungen. Faktoren wie Synchronisationsaufwand, Kontextwechsel, Ressourcenkonflikte, Speicherzugriffszeiten und die inhärenten Einschränkungen des Amdahlschen Gesetzes tragen alle dazu bei, dass eine optimale Parallelisierung eine Herausforderung darstellt. Der Schlüssel liegt in der Maximierung paralleler Operationen, der Minimierung sequenzieller Aufgaben und der Optimierung der Speichernutzung, um Engpässe zu vermeiden.

Tief in Fahrzeuge eingebettete Systeme unterliegen strengen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Echtzeitverhalten. In der Vergangenheit wurden diese Systeme auf Single-Core-Architekturen aufgebaut. Die Migration bestehender Single-Core-Codes in Multicore-Umgebungen ist schwierig. Die Migration bestehender Legacy-Systeme auf Multicore wird oft einer kompletten Neukonzeption vorgezogen. ETAS gehörte zu den ersten Anbietern, die Multicore-Unterstützung in den AUTOSAR-Standard integriert haben, und entwickelte gleichzeitig den ETAS RTA-CAR BSW Stack, um die Funktionalität nutzbar zu machen. Der RTA-CAR BSW Stack wurde schrittweise zu einem umfassenden Stack-Portfolio ausgebaut, das verschiedene Architekturoptionen für die BSW-Verteilung bietet, darunter das „Master/Satellite”-Muster zur Optimierung der Core-Auslastung in partitionierten Systemen.

Praktische Umsetzung: Beispiele aus der Praxis

Dieses Whitepaper untersucht praktische Überlegungen zur Optimierung von AUTOSAR-Multicore-Verteilungen anhand realer Beispiele aus der Automobilindustrie. Es werden drei unterschiedliche Szenarien untersucht:

• Optimierung der Lastverteilung: Ein OEM hatte Laufzeitprobleme auf einem Kern seiner Multicore-ECU. ETAS half dabei, die Last neu zu verteilen, indem der Com-Stack vom überlasteten Kern auf einen weniger ausgelasteten Kern verschoben wurde. Dies führte zu einer besseren Verteilung der Arbeitslast. Es ist entscheidend, die spezifischen Optimierungsziele zu verstehen, um die beste Konfiguration für das System zu ermitteln.

• Reduzierung von Laufzeitspitzen:Ein Tier-1-Zulieferer stieß bei Laufzeitspitzen in einer Brems-ECU auf Leistungsengpässe. ETAS optimierte den Com-Stack, indem es die Com_MainFunctionRx in mehrere Funktionen mit unterschiedlichen Perioden aufteilte und diese an die Timing-Anforderungen der Anwendungssoftware (ASW) anpasste. Die Aufteilung erfolgte von den Schichten nahe der Buskommunikation in Richtung ASW. Es ist vorteilhaft, den Trigger im Bus-Stack zu verarbeiten und die höheren Schichten die zu sendenden oder empfangenden Nachrichten abfragen zu lassen.
• Master/Satellite- und Multi-Master-Ansatz für die Verteilung von BSW-Modulen: AUTOSARadressiert die Verteilung von BSW-Modulen über Kerne hinweg mithilfe des Master/Satellite-Musters. Wenn die ASW auf eine Funktion in einer anderen Partition zugreifen muss, steuert der Master die unteren Schichten, und die Satelliten ermöglichen der ASW den Zugriff auf andere Kerne. ETAS bietet auch den Multi-Master-Ansatz. Mit diesem Ansatz können Projekte komplette Busse auf andere Kerne abbilden.
• Aufbau eines innovativen Multicore-Projekts von Grund auf: EinKunde beauftragte ETAS mit der Entwicklung einer neuen Generation von Gateway-ECUs mit Bus-Spiegelung und einem hochgradig verteilten Com-Stack. Dieses Greenfield-Szenario ermöglichte eine maßgeschneiderte Verteilung auf fünf Kerne, wodurch die Leistung optimiert und neuartige Anforderungen innerhalb eines anspruchsvollen Zeitrahmens umgesetzt werden konnten. ETAS verfolgte einen anderen Ansatz, um die Datenintegrität sicherzustellen. Durch die Implementierung der PduR-Schnittstelle über das proprietäre ETAS RTA-CAR-BSW-Modul XCoreCDD (Cross-Core Complex Device Driver) sind keine Sperren mehr erforderlich, wodurch der Prozess weiter optimiert werden kann.

ETAS RTA-CAR: Optimierung der Entwicklung von Multicore-Software für die Automobilindustrie

ETAS RTA-CAR ist eine hochmoderne, platzsparende Softwarelösung für die Serienproduktion in Automobilanwendungen. RTA-CAR wird von Hunderten von Unternehmen weltweit eingesetzt und steuert Milliarden von Automobil-ECUs in Millionen von Fahrzeugen. Es eignet sich für Single- und Multicore-Projekte. RTA-CAR bietet Lösungen, die über die AUTOSAR-Anforderungen hinausgehen.

Dazu gehören:

• Lock-free XCoreCDD: Implementierung einer sperrfreien Pipe, die die PduR-Instanzen verbindet.
• Com-Adapter: Entkoppelt die ASW-Verteilung von der Com-Stack-Verteilung.
• Multi-Master für WdgM: Zusätzlich zum regulären Master/Satellit-Modus unterstützt WdgM auch Multi-Master.

Ausblick

Eine effiziente Multicore-Verteilung ist für Fahrzeugarchitekturen der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung. ETAS erweitert kontinuierlich die Multicore-Fähigkeiten von RTA-CAR, darunter auch Tools zum Verständnis und zur Optimierung der Multicore-Performance. Kommende Releases werden neue Funktionen und Optimierungen enthalten, mit denen OEMs und Tier-1-Zulieferer das Potenzial aktueller und zukünftiger Fahrzeugarchitekturen noch besser ausschöpfen können. Der neue exklusive Bereichskonfigurationseditor nutzt statische Analysen, um Anwender bei der Optimierung ihrer Projekte zu unterstützen.