# 实验设计与验证方法

## 1. 实验目标

验证静态联合编排是否能够在AI进入控制系统后，同时保证：

1. 控制任务时间边界；
2. AI任务质量与时效性；
3. 内存、功耗和启动预算；
4. 超时、过载和异常时的安全降级。

## 2. 平台分层

| 层级 | 平台 | 作用 |
|---|---|---|
| H0 | 4×V100服务器 | 训练、量化、转换和参考精度 |
| H1 | RK3588 16 GB | SylixOS方法原型和完整链路 |
| H2 | RK3588 8 GB限额 | 预算收缩与准入判定验证 |
| H3 | RK3568/RK3576 | 控制端迁移、低功耗和跨BSP验证 |
| H4 | 真正MCU | SRAM/Flash、快速启动和极限资源实证 |

## 3. 对照组

| 编号 | 配置 | 目的 |
|---|---|---|
| O0 | 无AI，仅控制任务 | 控制性能下界 |
| O1 | AI作为普通后台任务 | 观察未经治理的干扰 |
| O2 | 静态Arena + 固定优先级 | 验证基础静态机制 |
| O3 | O2 + 固定窗口/算子分段 | 验证时间编排 |
| O4 | O3 + 准入、超时和规则兜底 | 完整方案 |

在同硬件、同模型、同输入和同编译选项下进行机制消融。Linux/PREEMPT_RT与SylixOS比较属于系统方案对照，若推理后端不同，必须单独解释。

## 4. 负载场景

| 编号 | 场景 | 目的 |
|---|---|---|
| L0 | 仅周期控制 | 建立基线 |
| L1 | 仅AI任务 | 建立模型时间与能耗基线 |
| L2 | 控制 + AI | 核心共存场景 |
| L3 | L2 + CPU竞争 | 验证调度和抢占 |
| L4 | L2 + 内存/DMA竞争 | 验证内存与总线干扰 |
| L5 | L2 + CAN/网络/存储 | 验证中断和I/O污染 |
| L6 | L2 + 突发输入 | 验证队列、丢弃与准入 |
| L7 | L2 + 超时/崩溃/错误输出 | 验证规则兜底和恢复 |

## 5. 实验单元

### E0：设备和软件准入

- BSP启动、时钟、SMP、外设和看门狗；
- SylixOS/RealEvo版本冻结；
- 模型在CPU路径完成正确性验证；
- NPU路径单独设置准入门槛；
- 测量工具和时间戳校验。

### E1：控制任务基线

测量1 ms主任务及5/10 ms扩展任务的唤醒延迟、响应时间、抖动和GPIO端到端响应。

### E2：模型和算子基线

记录每个算子与完整模型的执行时间、峰值内存、工作区、任务质量和 `E/inference`。

### E3：内存方案对照

比较动态堆、固定Arena、生命周期复用和不同内存限额，观察峰值、碎片、失败点和长稳行为。

### E4：时间编排对照

比较普通后台运行、固定窗口和算子分段，观察控制任务尾延迟、AI完成率和切分开销。

### E5：混合干扰

依次增加CPU、内存、DMA、通信和存储干扰，不同时改变多个变量。

### E6：准入和过载

逐级增加AI到达率，记录队列峰值、拒绝率、过期输入、有效完成率和控制任务边界。

### E7：故障与规则兜底

注入模型超时、错误输出、任务崩溃和驱动不可用，测量切换时间、控制保持率和恢复时间。

### E8：启动、功耗和长稳

分别测量启动到安全控制、启动到AI就绪、平均功耗、单次推理能耗和24小时运行状态。

## 6. 指标

### 6.1 控制层

- deadline miss ratio；
- P50/P95/P99/P99.9 jitter；
- 观测最大响应时间；
- GPIO/CAN端到端响应；
- 降级期间控制任务保持率。

### 6.2 AI层

- 单次推理时延及分布；
- 完成率、拒绝率和过期率；
- 任务准确率、F1或业务指标；
- 权重、Arena、工作区和峰值内存。

### 6.3 系统层

- CPU占用和抢占次数；
- 队列长度；
- 内存安全余量；
- `E/inference`；
- 温度、频率和降频；
- 启动与恢复时间。

## 7. 统计与报告原则

1. 普通单元至少独立运行5次；
2. 控制任务报告样本数、分位数、最大值和违约分子/分母；
3. 零违约只表述为“在指定工况和样本数下未观测到违约”；
4. 不用P99.9或观测最大值冒充理论WCET；
5. 保存超时、拒绝、OOM和任务崩溃，不静默删除失败数据；
6. 预测与实测必须使用相同配置和版本；
7. 功耗报告说明测量边界、采样率和空载功率。

## 8. 数据产物

每次运行至少保存：

- `manifest.json`：硬件、SylixOS/BSP、模型、任务和编译配置；
- `control.csv`：释放、开始、完成、CPU、截止期状态；
- `inference.csv`：输入、开始、结束、结果、超时与拒绝原因；
- `memory.csv`：静态区、Arena、栈和峰值；
- `power.csv`：功率、温度和频率；
- `events.log`：看门狗、降级、重启和恢复；
- `summary.json`：指标、样本量和准入结论。

## 9. 阶段完成条件

- P0：RK3588 CPU路径完成E0～E7；
- P1：NPU或加速路径在准入后完成E2、E5、E7；
- P2：RK3568/RK3576复现实验并量化迁移成本；
- P3：真正MCU完成E0～E8，形成严格MCU论文证据。

若BSP、驱动或推理运行时不可用，停止对应路径，输出适配缺口，不把计划写成实测结果。