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Sun Dasheng
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e90d33cfad
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ddf31185b7
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@ -0,0 +1,103 @@
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# 智能挂车AI-Box软件架构设计
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## 1. 系统概述
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基于深明奥思Fellow 1芯片(138 TOPS)的异构三核架构(MCU+SoC+F1)，实现商用车AI-Box Demo。系统采用双核心管理架构：MCU负责电源管理和硬件监控，SoC负责系统调度和应用逻辑，F1负责大模型和CNN推理加速。
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## 2. 系统分层架构
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### 2.1 驱动层 (MCU + SoC)
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- **MCU子系统**:
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- 电源管理状态机（4种模式）
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- SPI/UART/GPIO通信驱动（严格遵循IPCL协议）
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- SoC健康状态监控（1秒周期，3秒超时复位）
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- 硬件故障检测与处理
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- **SoC子系统**:
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- Linux内核驱动（GPIO/I2C/SPI/UART/PCIe/V4L2）
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- Fellow 1 NPU驱动（PCIe 3.0接口）
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- 摄像头V4L2框架驱动
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- 温度监控与保护
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### 2.2 框架层 (SoC + F1)
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- **通信中间件**:
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- MCU-SoC: SPI(≥10Mbps) + UART(≥1Mbps) + GPIO(RESET_N)
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- SoC-F1: PCIe 3.0 (8 GT/s)
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- IPCL协议栈实现（含CRC校验、重传机制、大文件分片）
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- **推理引擎**:
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- ONNX Runtime + Fellow 1专用NPU加速器
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- INT4/INT8量化支持
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- 模型分片加载与内存管理
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- **系统服务**:
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- 电源模式管理（运行/休眠/低功耗/关机）
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- 唤醒源管理（钥匙/远程/传感器/定时）
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- 故障恢复机制（强制复位、安全模式）
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### 2.3 应用层 (SoC)
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- **AI服务**:
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- 大模型推理API（Qwen-7B/LLaMA-7B）
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- CNN物体识别服务
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- 多模态交互接口
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- **系统服务**:
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- 电源状态机协调
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- 温度适应性控制
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- 远程管理接口
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- **多模态接口**:
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- OpenAI API兼容层
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- WebSocket实时通信
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- RESTful管理API
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## 3. 大模型推理引擎集成方案
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### 3.1 模型格式与优化
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- 统一使用ONNX格式，支持Qwen-7B/LLaMA-7B转换
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- INT4/INT8量化优化，适配F1芯片NPU特性
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- 模型剪枝和蒸馏，满足50g重量限制下的内存约束
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### 3.2 部署策略
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- 模型分片加载，避免内存溢出（支持512字节SPI包长限制）
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- 共享内存池管理，减少CPU-GPU数据拷贝
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- 异步推理队列，支持多任务并发
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- 温度自适应推理频率调整（-40℃~85℃环境适应）
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## 4. 电源管理模块设计
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### 4.1 四种工作模式（基于IPCL规范）
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- **运行模式**: 全功能开启，高性能推理 (~10W, 0ms唤醒)
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- **休眠模式**: SoC降频，必要传感器工作 (~2W, 100ms唤醒)
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- **低功耗模式**: SoC深度睡眠，仅关键唤醒源 (~0.5W, 500ms唤醒)
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- **关机模式**: SoC完全关闭，仅MCU超低功耗 (~0.1W, 2000ms唤醒)
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### 4.2 状态机与协议实现
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- MCU主导电源状态切换，SoC通过SPI发送POWER_MODE_REQ
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- 严格遵循IPCL电源模式切换流程（6步握手协议）
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- 唤醒源优先级管理：钥匙启动 > 远程唤醒 > 传感器触发 > 定时唤醒
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- 故障处理：SoC异常时MCU通过GPIO RESET_N强制复位（≥100ms低电平）
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## 5. 摄像头数据处理流水线
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### 5.1 数据通路（零拷贝优化）
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摄像头 → V4L2驱动 → 图像预处理 → DMA传输 → F1共享内存 → CNN推理 → 结果回调
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```
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### 5.2 性能与可靠性
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- 零拷贝DMA传输，避免CPU内存瓶颈
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- 多缓冲区流水线处理，支持实时视频流
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- 端到端延迟 < 100ms（满足商用车实时性要求）
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- 极端温度环境下的稳定性保障（-40℃~85℃）
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## 6. 关键技术指标
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- **硬件平台**: Fellow 1芯片，138 TOPS算力
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- **工作温度**: -40℃ ~ 85℃
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- **尺寸重量**: 60mm × 60mm, 50g
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- **推理性能**: Qwen-7B @ 138 TOPS, LLaMA-7B @ 138 TOPS
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- **通信性能**: SPI ≥10Mbps, UART ≥1Mbps, PCIe 3.0 8GT/s
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- **电源管理**: 四级电源模式，智能功耗控制
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- **可靠性**: 3秒SoC健康监测，强制复位保护
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## 7. 后续工作计划
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- [ ] 详细IPCL协议栈实现（SPI/UART/GPIO驱动）
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- [ ] 电源管理状态机开发与测试
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- [ ] Fellow 1 NPU驱动集成与优化
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- [ ] 大模型量化与部署验证
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- [ ] 端到端系统集成与环境测试
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- [ ] 故障恢复机制验证
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@ -0,0 +1,306 @@
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# AI-Box软件实现指南
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## 1. 开发环境搭建
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### 1.1 系统要求
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- **主机系统**: Ubuntu 20.04 LTS 或更高版本
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- **交叉编译工具链**: aarch64-linux-gnu-gcc 9.3.0 或更高
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- **存储空间**: 至少20GB可用空间（包含模型文件）
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### 1.2 依赖安装
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```bash
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# 基础开发工具
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sudo apt update
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sudo apt install -y build-essential cmake git wget curl
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# 交叉编译工具链
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sudo apt install -y gcc-aarch64-linux-gnu g++-aarch64-linux-gnu
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# Python环境（用于模型转换和测试）
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sudo apt install -y python3 python3-pip python3-venv
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python3 -m venv venv
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source venv/bin/activate
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pip install onnx onnxruntime numpy torch torchvision
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# Fellow 1 NPU SDK（需从厂商获取）
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# 解压到 ./fellow1-sdk 目录
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```
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### 1.3 代码仓库配置
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```bash
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# 克隆项目仓库
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git clone http://zxu:zxu123456@47.253.94.217:3000/zxu/its-gen1.git
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cd its-gen1
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# 配置Git用户信息
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git config user.name "Your Name"
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git config user.email "your.email@company.com"
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# 创建开发分支
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git checkout -b feature/your-feature-name
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```
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## 2. MCU软件开发指南
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### 2.1 项目结构
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```
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mcu/
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├── src/
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│ ├── main.c # 主函数入口
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│ ├── power_manager.c # 电源管理模块
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│ ├── spi_driver.c # SPI驱动实现
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|
│ ├── uart_driver.c # UART驱动实现
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|
│ ├── gpio_driver.c # GPIO驱动实现
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│ └── ipcl_protocol.c # IPCL协议栈
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├── include/
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│ ├── power_manager.h
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│ ├── spi_driver.h
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│ ├── uart_driver.h
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|
│ ├── gpio_driver.h
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|
│ └── ipcl_protocol.h
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├── test/
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│ └── mcu_unit_tests.c # 单元测试
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└── CMakeLists.txt # 构建配置
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```
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### 2.2 关键接口实现
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#### 2.2.1 SPI驱动实现要点
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```c
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// spi_driver.h
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#define SPI_BUFFER_SIZE 512
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#define SPI_SYNC_HEADER 0xAA55
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typedef struct {
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uint16_t sync_header; // 同步头 0xAA55
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uint8_t command_type; // 命令类型
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uint16_t data_length; // 数据长度 (0-512)
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uint8_t data[SPI_BUFFER_SIZE]; // 数据区
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uint16_t crc; // CRC校验
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} spi_packet_t;
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// 关键函数
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int spi_init(uint32_t baudrate); // 初始化SPI (≥10Mbps)
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int spi_send_packet(spi_packet_t* packet); // 发送数据包
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int spi_receive_packet(spi_packet_t* packet); // 接收数据包
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uint16_t calculate_crc(uint8_t* data, size_t len); // CRC计算
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```
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#### 2.2.2 电源管理状态机
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```c
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// power_manager.h
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typedef enum {
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POWER_MODE_RUNNING, // 运行模式
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POWER_MODE_SLEEPING, // 休眠模式
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|
POWER_MODE_LOW_POWER, // 低功耗模式
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|
POWER_MODE_SHUTDOWN // 关机模式
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} power_mode_t;
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// 状态机函数
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int power_manager_init(void);
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int set_power_mode(power_mode_t mode);
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power_mode_t get_current_power_mode(void);
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int handle_wakeup_source(wakeup_source_t source);
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```
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#### 2.2.3 SoC健康监测
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```c
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// uart_driver.h
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#define UART_HEALTH_REPORT_PERIOD_MS 1000
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|
#define UART_HEALTH_TIMEOUT_MS 3000
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||||||
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|
typedef struct {
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uint8_t sync_header; // 0xAA
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uint8_t status_type; // CPU/MEM/PERIPH/SYSTEM
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uint32_t status_data; // 状态数据
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|
uint8_t crc; // CRC校验
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|
} uart_health_packet_t;
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|
// 健康监测函数
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int uart_health_monitor_init(void);
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int start_health_monitoring(void);
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int stop_health_monitoring(void);
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|
void handle_soc_timeout(void); // SoC超时处理（强制复位）
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```
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### 2.3 编译与调试
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```bash
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# MCU编译
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cd mcu
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mkdir build && cd build
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cmake .. -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=../toolchain-arm-none-eabi.cmake
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make
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# 调试命令（使用JTAG/SWD）
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arm-none-eabi-gdb mcu_firmware.elf
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```
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## 3. SoC软件开发指南
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### 3.1 项目结构
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```
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soc/
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├── kernel/
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│ ├── drivers/ # 内核驱动
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│ │ ├── fellow1_npu.c # F1 NPU驱动
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│ │ ├── camera_v4l2.c # 摄像头V4L2驱动
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│ │ └── ipcl_interface.c # IPCL接口驱动
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│ └── config/ # 内核配置
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├── userspace/
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│ ├── system_service/ # 系统服务
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│ ├── ai_service/ # AI服务
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│ ├── communication/ # 通信模块
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│ └── utils/ # 工具库
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├── models/ # 模型文件
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│ ├── qwen-7b.onnx
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|
│ └── llama-7b.onnx
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└── CMakeLists.txt
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```
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### 3.2 Linux内核配置要点
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```bash
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# 必需的内核配置选项
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CONFIG_GPIO_SYSFS=y
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|
CONFIG_SPI_MASTER=y
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|
CONFIG_SPI_SPIDEV=y
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||||||
|
CONFIG_SERIAL_8250=y
|
||||||
|
CONFIG_V4L_PLATFORM_DRIVERS=y
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||||||
|
CONFIG_PCIE_DW=y
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||||||
|
CONFIG_THERMAL=y
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```
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### 3.3 Fellow 1 NPU驱动开发
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```c
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// fellow1_npu.h
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struct fellow1_npu_device {
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void __iomem *regs; // 寄存器映射
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|
struct pci_dev *pdev; // PCIe设备
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dma_addr_t shared_mem_dma; // 共享内存DMA地址
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|
void *shared_mem_virt; // 共享内存虚拟地址
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||||||
|
};
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|
|
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// 关键API
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|
int fellow1_npu_init(struct pci_dev *pdev);
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||||||
|
int fellow1_npu_submit_inference(void *model_data, size_t model_size,
|
||||||
|
void *input_data, size_t input_size,
|
||||||
|
void *output_buffer, size_t output_size);
|
||||||
|
int fellow1_npu_wait_completion(void);
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|
```
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### 3.4 AI服务实现
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```python
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# ai_service/model_manager.py
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|
class ModelManager:
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|
def __init__(self):
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|
self.loaded_models = {}
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self.shared_memory_pool = SharedMemoryPool()
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|
def load_model(self, model_path, quantization='INT8'):
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"""模型分片加载，避免内存溢出"""
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model_chunks = self._split_model(model_path)
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for chunk in model_chunks:
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self._load_chunk_to_npu(chunk, quantization)
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return model_id
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||||||
|
def inference_async(self, model_id, input_data, callback):
|
||||||
|
"""异步推理接口"""
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||||||
|
task_id = self._submit_to_npu(model_id, input_data)
|
||||||
|
self._register_callback(task_id, callback)
|
||||||
|
return task_id
|
||||||
|
```
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|
## 4. F1 NPU软件开发指南
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### 4.1 推理运行时架构
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```
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f1_runtime/
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├── scheduler/ # 任务调度器
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├── memory_manager/ # 内存管理器
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|
├── kernel_executor/ # 内核执行器
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|
├── quantization/ # 量化模块
|
||||||
|
└── api/ # 对外API
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||||||
|
```
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||||||
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|
### 4.2 关键优化技术
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- **零拷贝传输**: 使用PCIe ATS (Address Translation Services)
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- **模型分片**: 将大模型分割为适合NPU缓存的小块
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- **量化感知训练**: INT4/INT8量化保持精度
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|
- **温度自适应**: 根据芯片温度动态调整频率
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## 5. 集成与测试
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### 5.1 构建脚本
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```bash
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#!/bin/bash
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# build_all.sh
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set -e
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|
echo "Building MCU firmware..."
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|
cd mcu && mkdir -p build && cd build
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cmake .. && make
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cd ../..
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|
|
||||||
|
echo "Building SoC kernel modules..."
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||||||
|
cd soc/kernel && make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
|
||||||
|
|
||||||
|
echo "Building userspace applications..."
|
||||||
|
cd ../userspace && cmake . && make
|
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|
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||||||
|
echo "Build completed successfully!"
|
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|
```
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### 5.2 测试策略
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|
- **单元测试**: 每个模块独立测试
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||||||
|
- **集成测试**: MCU-SoC-F1三端联调
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|
- **性能测试**: 推理延迟、功耗、唤醒时间
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|
- **可靠性测试**: 极端温度、电源波动、故障恢复
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### 5.3 调试技巧
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- **日志级别**: DEBUG/INFO/WARNING/ERROR
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|
- **串口调试**: MCU和SoC都输出调试信息
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|
- **性能分析**: 使用perf和ftrace分析瓶颈
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|
- **内存检查**: Valgrind检测内存泄漏
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## 6. 版本管理规范
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### 6.1 Git提交规范
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```
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feat: 添加新功能
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fix: 修复bug
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|
docs: 文档更新
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|
style: 代码格式调整
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refactor: 重构代码
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||||||
|
test: 添加测试
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||||||
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chore: 构建或辅助工具变更
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||||||
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```
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||||||
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### 6.2 分支策略
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- **main**: 稳定版本，可发布
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- **develop**: 开发主干，集成各功能
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||||||
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- **feature/***: 功能开发分支
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|
- **hotfix/***: 紧急修复分支
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### 6.3 代码审查清单
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- [ ] 代码符合编码规范
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- [ ] 单元测试覆盖率 ≥ 80%
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- [ ] 内存安全（无泄漏、越界）
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- [ ] 异常处理完整
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- [ ] 性能满足需求
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- [ ] 文档同步更新
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||||||
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## 7. 部署与维护
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||||||
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### 7.1 固件更新流程
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1. 构建完整固件包
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2. 通过远程管理接口推送
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3. MCU验证固件完整性
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4. 安全回滚机制（失败时恢复旧版本）
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### 7.2 远程监控
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- **健康状态**: CPU/内存/温度/电源状态
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- **AI性能**: 推理QPS、延迟、成功率
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- **通信质量**: SPI/UART错误率、重传次数
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- **告警机制**: 异常情况自动上报
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**注意**: 本文档需要与《软件需求规格说明书》和《软件架构设计》配合使用，确保实现与设计一致。
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@ -0,0 +1,158 @@
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# AI-Box软件需求规格说明书
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## 1. 文档概述
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本文档基于硬件团队提供的《AI-Box智能终端IPCL设计文档》和《AI-Box智能终端电源设计文档》，详细定义软件系统的功能需求、性能需求和接口需求，为后续编码实现提供明确指导。
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## 2. 系统架构约束
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### 2.1 硬件平台约束
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- **主芯片**: 深明奥思Fellow 1 (138 TOPS)
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- **架构**: 异构三核 (MCU + SoC + F1)
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- **工作温度**: -40℃ ~ 85℃
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- **尺寸重量**: 60mm × 60mm, 50g
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- **电源**: 12V/24V车载电源
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### 2.2 通信接口约束
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- **MCU-SoC**: SPI(≥10Mbps) + UART(≥1Mbps) + GPIO(RESET_N)
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- **SoC-F1**: PCIe 3.0 (8 GT/s)
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- **协议标准**: 严格遵循IPCL通信协议规范
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## 3. 功能需求
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### 3.1 MCU软件功能需求
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#### 3.1.1 电源管理模块
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- **FR-MCU-001**: 实现四级电源模式状态机（运行/休眠/低功耗/关机）
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- **FR-MCU-002**: 支持SPI POWER_MODE_REQ/ACK协议交互
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- **FR-MCU-003**: 实现唤醒源优先级管理（钥匙>远程>传感器>定时）
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- **FR-MCU-004**: 监控电池电压，低于阈值时自动进入低功耗模式
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#### 3.1.2 通信管理模块
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- **FR-MCU-005**: 实现SPI驱动，支持10Mbps速率，512字节包长
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- **FR-MCU-006**: 实现UART驱动，支持1Mbps速率，健康状态监测
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- **FR-MCU-007**: 实现GPIO RESET_N控制（低电平有效，≥100ms）
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- **FR-MCU-008**: 实现IPCL协议栈（CRC校验、重传、大文件分片）
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#### 3.1.3 故障处理模块
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- **FR-MCU-009**: SoC健康监测（1秒周期，3秒超时强制复位）
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- **FR-MCU-010**: 电源异常检测和安全模式切换
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- **FR-MCU-011**: 通信故障恢复（SPI/UART双通道失效时GPIO复位）
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### 3.2 SoC软件功能需求
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#### 3.2.1 系统服务模块
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- **FR-SoC-001**: Linux内核配置（支持GPIO/I2C/SPI/UART/PCIe/V4L2）
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- **FR-SoC-002**: Fellow 1 NPU驱动开发（PCIe 3.0接口）
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- **FR-SoC-003**: 温度监控与自适应频率调整
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- **FR-SoC-004**: 外设电源管理（动态开关非必要外设）
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#### 3.2.2 AI推理模块
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- **FR-SoC-005**: ONNX Runtime集成，支持Qwen-7B/LLaMA-7B
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- **FR-SoC-006**: INT4/INT8量化模型部署
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- **FR-SoC-007**: 模型分片加载，内存占用优化
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- **FR-SoC-008**: 异步推理队列，多任务并发支持
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#### 3.2.3 通信与监控模块
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- **FR-SoC-009**: SPI客户端实现，支持POWER_MODE_REQ发送
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- **FR-SoC-010**: UART健康状态报告（CPU/MEM/PERIPH/SYSTEM状态）
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- **FR-SoC-011**: GPIO RESET_N中断处理
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- **FR-SoC-012**: IPCL协议客户端实现
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### 3.3 F1软件功能需求
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#### 3.3.1 推理引擎模块
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- **FR-F1-001**: Fellow 1 NPU专用推理运行时
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- **FR-F1-002**: 多模型并发调度器
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- **FR-F1-003**: 共享内存管理（SoC-F1零拷贝传输）
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- **FR-F1-004**: 温度自适应推理频率控制
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## 4. 性能需求
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### 4.1 通信性能
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- **PR-COMM-001**: SPI通信延迟 ≤ 1ms (512字节包)
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- **PR-COMM-002**: UART健康报告周期 = 1s ± 10ms
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- **PR-COMM-003**: PCIe 3.0带宽利用率 ≥ 80%
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### 4.2 推理性能
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- **PR-AI-001**: Qwen-7B推理延迟 ≤ 500ms (输入长度512 tokens)
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- **PR-AI-002**: LLaMA-7B推理延迟 ≤ 600ms (输入长度512 tokens)
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- **PR-AI-003**: CNN物体识别延迟 ≤ 100ms (1080p图像)
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### 4.3 电源性能
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- **PR-POWER-001**: 运行模式功耗 ≤ 10W
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- **PR-POWER-002**: 休眠模式功耗 ≤ 2W
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- **PR-POWER-003**: 低功耗模式功耗 ≤ 0.5W
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- **PR-POWER-004**: 关机模式功耗 ≤ 0.1W
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### 4.4 唤醒性能
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- **PR-WAKE-001**: 休眠→运行唤醒时间 ≤ 100ms
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- **PR-WAKE-002**: 低功耗→运行唤醒时间 ≤ 500ms
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- **PR-WAKE-003**: 关机→运行唤醒时间 ≤ 2000ms
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## 5. 接口需求
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### 5.1 MCU-SoC接口
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- **IR-MCU-SoC-001**: SPI接口遵循IPCL数据包格式（同步头0xAA55 + CRC）
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- **IR-MCU-SoC-002**: UART接口遵循健康状态报告格式（同步头0xAA + CRC）
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- **IR-MCU-SoC-003**: GPIO接口RESET_N低电平有效，持续≥100ms
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### 5.2 SoC-F1接口
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- **IR-SoC-F1-001**: PCIe 3.0 x4接口，支持DMA传输
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- **IR-SoC-F1-002**: 共享内存池接口，支持零拷贝数据传输
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- **IR-SoC-F1-003**: 推理API接口，支持异步回调
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### 5.3 应用层接口
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- **IR-APP-001**: OpenAI API兼容接口（/v1/chat/completions）
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- **IR-APP-002**: WebSocket实时通信接口
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- **IR-APP-003**: RESTful设备管理接口（电源控制、状态查询）
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## 6. 可靠性需求
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### 6.1 故障恢复
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- **RR-001**: SoC异常时，MCU必须在3秒内完成强制复位
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- **RR-002**: 电源波动时，系统必须保持稳定运行或安全关机
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- **RR-003**: 通信中断时，必须有备用恢复机制
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### 6.2 环境适应性
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- **RR-004**: -40℃~85℃温度范围内正常工作
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- **RR-005**: 12V/24V电源电压波动范围内正常工作
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- **RR-006**: 车载振动环境下通信可靠性 ≥ 99.9%
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## 7. 开发与测试需求
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### 7.1 开发环境
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- **DR-001**: Linux交叉编译环境（ARM64架构）
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- **DR-002**: Fellow 1 NPU SDK集成
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- **DR-003**: Gitea版本控制（http://47.253.94.217:3000/zxu/its-gen1）
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### 7.2 测试要求
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- **TR-001**: 电源模式切换功能测试
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- **TR-002**: IPCL通信协议一致性测试
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- **TR-003**: 大模型推理性能基准测试
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- **TR-004**: 极端温度环境可靠性测试
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- **TR-005**: 故障恢复机制验证测试
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## 8. 验收标准
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### 8.1 功能验收
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- 所有功能需求项（FR-*）必须100%实现并通过测试
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### 8.2 性能验收
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- 所有性能需求项（PR-*）必须满足指标要求
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### 8.3 可靠性验收
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- 故障恢复时间必须满足RR-001要求
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- 环境适应性必须通过RR-004~RR-006测试
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## 9. 附录
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### 9.1 术语表
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- **MCU**: Micro Controller Unit，微控制器单元
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- **SoC**: System on Chip，系统级芯片
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- **F1**: Fellow 1 NPU，深明奥思大模型推理芯片
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- **IPCL**: Inter-Processor Communication Layer，处理器间通信层
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### 9.2 参考文档
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- 《AI-Box智能终端IPCL设计文档》
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- 《AI-Box智能终端电源设计文档》
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- 《智能挂车AI-Box软件架构设计》
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