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AI-Box软件需求规格说明书

1. 文档概述

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。

2. 系统架构约束

2.1 硬件平台约束

  • 主芯片: 深明奥思Fellow 1 (138 TOPS)
  • 架构: 异构三核 (MCU + SoC + F1)
  • 工作温度: -40℃ ~ 85℃
  • 尺寸重量: 60mm × 60mm, 50g
  • 电源: 12V/24V车载电源

2.2 通信接口约束

  • MCU-SoC: SPI(≥10Mbps) + UART(≥1Mbps) + GPIO(RESET_N)
  • SoC-F1: PCIe 3.0 (8 GT/s)
  • 协议标准: 严格遵循IPCL通信协议规范

3. 功能需求

3.1 MCU软件功能需求

3.1.1 电源管理模块

  • FR-MCU-001: 实现四级电源模式状态机（运行/休眠/低功耗/关机）
  • FR-MCU-002: 支持SPI POWER_MODE_REQ/ACK协议交互
  • FR-MCU-003: 实现唤醒源优先级管理（钥匙>远程>传感器>定时）
  • FR-MCU-004: 监控电池电压，低于阈值时自动进入低功耗模式

3.1.2 通信管理模块

  • FR-MCU-005: 实现SPI驱动，支持10Mbps速率，512字节包长
  • FR-MCU-006: 实现UART驱动，支持1Mbps速率，健康状态监测
  • FR-MCU-007: 实现GPIO RESET_N控制（低电平有效，≥100ms）
  • FR-MCU-008: 实现IPCL协议栈（CRC校验、重传、大文件分片）

3.1.3 故障处理模块

  • FR-MCU-009: SoC健康监测（1秒周期，3秒超时强制复位）
  • FR-MCU-010: 电源异常检测和安全模式切换
  • FR-MCU-011: 通信故障恢复（SPI/UART双通道失效时GPIO复位）

3.2 SoC软件功能需求

3.2.1 系统服务模块

  • FR-SoC-001: Linux内核配置（支持GPIO/I2C/SPI/UART/PCIe/V4L2）
  • FR-SoC-002: Fellow 1 NPU驱动开发（PCIe 3.0接口）
  • FR-SoC-003: 温度监控与自适应频率调整
  • FR-SoC-004: 外设电源管理（动态开关非必要外设）

3.2.2 AI推理模块

  • FR-SoC-005: ONNX Runtime集成，支持Qwen-7B/LLaMA-7B
  • FR-SoC-006: INT4/INT8量化模型部署
  • FR-SoC-007: 模型分片加载，内存占用优化
  • FR-SoC-008: 异步推理队列，多任务并发支持

3.2.3 通信与监控模块

  • FR-SoC-009: SPI客户端实现，支持POWER_MODE_REQ发送
  • FR-SoC-010: UART健康状态报告（CPU/MEM/PERIPH/SYSTEM状态）
  • FR-SoC-011: GPIO RESET_N中断处理
  • FR-SoC-012: IPCL协议客户端实现

3.3 F1软件功能需求

3.3.1 推理引擎模块

  • FR-F1-001: Fellow 1 NPU专用推理运行时
  • FR-F1-002: 多模型并发调度器
  • FR-F1-003: 共享内存管理（SoC-F1零拷贝传输）
  • FR-F1-004: 温度自适应推理频率控制

4. 性能需求

4.1 通信性能

  • PR-COMM-001: SPI通信延迟 ≤ 1ms (512字节包)
  • PR-COMM-002: UART健康报告周期 = 1s ± 10ms
  • PR-COMM-003: PCIe 3.0带宽利用率 ≥ 80%

4.2 推理性能

  • PR-AI-001: Qwen-7B推理延迟 ≤ 500ms (输入长度512 tokens)
  • PR-AI-002: LLaMA-7B推理延迟 ≤ 600ms (输入长度512 tokens)
  • PR-AI-003: CNN物体识别延迟 ≤ 100ms (1080p图像)

4.3 电源性能

  • PR-POWER-001: 运行模式功耗 ≤ 10W
  • PR-POWER-002: 休眠模式功耗 ≤ 2W
  • PR-POWER-003: 低功耗模式功耗 ≤ 0.5W
  • PR-POWER-004: 关机模式功耗 ≤ 0.1W

4.4 唤醒性能

  • PR-WAKE-001: 休眠→运行唤醒时间 ≤ 100ms
  • PR-WAKE-002: 低功耗→运行唤醒时间 ≤ 500ms
  • PR-WAKE-003: 关机→运行唤醒时间 ≤ 2000ms

5. 接口需求

5.1 MCU-SoC接口

  • IR-MCU-SoC-001: SPI接口遵循IPCL数据包格式（同步头0xAA55 + CRC）
  • IR-MCU-SoC-002: UART接口遵循健康状态报告格式（同步头0xAA + CRC）
  • IR-MCU-SoC-003: GPIO接口RESET_N低电平有效，持续≥100ms

5.2 SoC-F1接口

  • IR-SoC-F1-001: PCIe 3.0 x4接口，支持DMA传输
  • IR-SoC-F1-002: 共享内存池接口，支持零拷贝数据传输
  • IR-SoC-F1-003: 推理API接口，支持异步回调

5.3 应用层接口

  • IR-APP-001: OpenAI API兼容接口（/v1/chat/completions）
  • IR-APP-002: WebSocket实时通信接口
  • IR-APP-003: RESTful设备管理接口（电源控制、状态查询）

6. 可靠性需求

6.1 故障恢复

  • RR-001: SoC异常时，MCU必须在3秒内完成强制复位
  • RR-002: 电源波动时，系统必须保持稳定运行或安全关机
  • RR-003: 通信中断时，必须有备用恢复机制

6.2 环境适应性

  • RR-004: -40℃~85℃温度范围内正常工作
  • RR-005: 12V/24V电源电压波动范围内正常工作
  • RR-006: 车载振动环境下通信可靠性 ≥ 99.9%

7. 开发与测试需求

7.1 开发环境

7.2 测试要求

  • TR-001: 电源模式切换功能测试
  • TR-002: IPCL通信协议一致性测试
  • TR-003: 大模型推理性能基准测试
  • TR-004: 极端温度环境可靠性测试
  • TR-005: 故障恢复机制验证测试

8. 验收标准

8.1 功能验收

  • 所有功能需求项（FR-*）必须100%实现并通过测试

8.2 性能验收

  • 所有性能需求项（PR-*）必须满足指标要求

8.3 可靠性验收

  • 故障恢复时间必须满足RR-001要求
  • 环境适应性必须通过RR-004~RR-006测试

9. 附录

9.1 术语表

  • MCU: Micro Controller Unit，微控制器单元
  • SoC: System on Chip，系统级芯片
  • F1: Fellow 1 NPU，深明奥思大模型推理芯片
  • IPCL: Inter-Processor Communication Layer，处理器间通信层

9.2 参考文档

  • 《AI-Box智能终端IPCL设计文档》
  • 《AI-Box智能终端电源设计文档》
  • 《智能挂车AI-Box软件架构设计》