多核處理器滿足壓力表多樣化的功能和安全性要求

預(yù)計(jì)汽車，工業(yè)，機(jī)器人技術(shù)，建筑控制和其他關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)⒊袚?dān)更多的工作負(fù)載，從低功耗實(shí)時(shí)監(jiān)控到具有用于人機(jī)界面（HMI）的多屏圖形顯示的高級多媒體應(yīng)用程序。在滿足這些廣泛的功能要求時(shí)，它們還必須能夠支持嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，降低成本和占地面積，并優(yōu)化電源/性能平衡。

為了滿足這些有時(shí)有時(shí)相互沖突的要求，迄今為止，開發(fā)人員不得不犧牲功能或使設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜化，并增加支持圖形，安全性和安全性等特定要求所需的附加設(shè)備。開發(fā)人員真正需要的是一個單一的解決方案，該解決方案能夠支持范圍廣泛的關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序中滿足這些要求的多種產(chǎn)品。

本文快速介紹了關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展。然后，它將展示如何使用多核應(yīng)用處理器（由恩智浦半導(dǎo)體專門設(shè)計(jì)來支持快速擴(kuò)展的對廣泛功能和安全認(rèn)證功能的要求列表）如何用于解決開發(fā)人員的挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)的演變

嵌入式設(shè)備在支持一組有限的系統(tǒng)功能方面的傳統(tǒng)作用已被對提供廣泛功能的設(shè)備的需求所取代。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，對智能工具和設(shè)備中增強(qiáng)的HMI功能的需求要求處理器能夠在滿足更多傳統(tǒng)工業(yè)實(shí)時(shí)要求的同時(shí)提供優(yōu)化的圖形。同樣，汽車應(yīng)用向包含功能域集群和網(wǎng)關(guān)的分層體系結(jié)構(gòu)的趨勢推動了對完全能夠滿足這些要求的處理器的需求。

在每個功能域中，對更復(fù)雜功能的需求不斷提高性能和集成功能的門檻。例如，平視顯示器的出現(xiàn)要求解決方案能夠確保持續(xù)向駕駛員提供重要的圖形信息。與這些下一代顯示器一起，對增強(qiáng)駕駛員意識的日益增長的需求也增加了對攝像頭接口以及高性能執(zhí)行高級識別軟件的需求，這些軟件能夠提供睡意檢測功能。

隨著應(yīng)用程序的不斷發(fā)展，對高度集成，可擴(kuò)展的解決方案的需求變得越來越迫切，以滿足日益多樣化的需求，同時(shí)最大限度地減少了設(shè)計(jì)占地面積，成本和復(fù)雜性。使用恩智浦的i.MX 8應(yīng)用處理器系列，開發(fā)人員可以利用兼容的處理器平臺，并具有滿足廣泛應(yīng)用需求所需的一系列功能和性能。在i.MX 8系列中，恩智浦i.MX 8X系列滿足了中檔汽車和工業(yè)應(yīng)用對安全認(rèn)證處理器的新興需求。

多核架構(gòu)可管理各種工作負(fù)載

開發(fā)人員在實(shí)現(xiàn)用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備時(shí)面臨的困難之一是需求的廣度。在開發(fā)人員可以期望處理實(shí)時(shí)或高級應(yīng)用程序處理工作負(fù)載的地方，對智能子系統(tǒng)的需求已將這些明顯不同的計(jì)算類型合并在一起。開發(fā)人員越來越需要能夠在支持功能安全性要求的同時(shí)提供可靠的實(shí)時(shí)響應(yīng)和高性能應(yīng)用程序執(zhí)行的解決方案。

對于一般的實(shí)時(shí)處理任務(wù)，i.MX 8X設(shè)備包括帶浮點(diǎn)單元（FPU），內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），內(nèi)存映射加密加速單元（MMCAU）的Arm Cortex-M4（CM4）處理器。雜項(xiàng)控制模塊（MCM）。為了支持傳感器和執(zhí)行器等外圍設(shè)備，該用戶CM4復(fù)合系統(tǒng)將嵌套矢量中斷控制器（NVIC）與一整套接口和模塊結(jié)合在一起，包括低功率周期性中斷定時(shí)器（LPIT），脈寬調(diào)制（PWM）和汽車和工業(yè)應(yīng)用中通常需要的其他功能。一對高速緩存和具有糾錯碼（ECC）功能的緊密耦合內(nèi)存（TCM）有助于最大程度地減少對外部存儲器的訪問，加快執(zhí)行速度并處理內(nèi)存錯誤。

為了快速執(zhí)行應(yīng)用程序工作負(fù)載，CPU平臺包括多個省電的Arm Cortex-A35應(yīng)用程序處理器（AP）-8DualXPlus處理器中的兩個AP（例如MIMX8UX6AVLFZAC）和8QuadXPlus處理器中的四個AP（例如MIMX8QX6AVLFZAC）。除了專用指令（I $）和數(shù)據(jù)（D $）高速緩存外，CPU平臺還包括帶有ECC的共享512 KB（Kbyte）2級（L2）高速緩存。

該架構(gòu)的Arm Cortex-A35內(nèi)核同時(shí)提供軟件兼容性和性能可擴(kuò)展性，同時(shí)支持32位向后兼容性和64位性能。為了進(jìn)一步加快計(jì)算密集型算法（例如信號處理和機(jī)器學(xué)習(xí)）的執(zhí)行速度，Arm Cortex-A35處理器提供了矢量浮點(diǎn)（VFP）處理和Arm的Neon單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。為加速用于圖像處理，計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件的執(zhí)行，Arm Compute庫提供了針對Arm處理器和圖形處理單元（GPU）架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化的功能，而開源Ne10 C庫提供了Arm優(yōu)化的功能，可用于計(jì)算，密集的操作。

專用引擎可減輕主CPU的負(fù)擔(dān)

除了用戶CM4復(fù)合體和Arm Cortex-A35多核CPU平臺以外，該體系結(jié)構(gòu)還為多媒體應(yīng)用程序提供了其他專用引擎。該架構(gòu)與用于音頻和語音編解碼器處理的數(shù)字信號處理器（DSP）一起，集成了GPU和視頻處理單元（VPU）。該設(shè)備的GPU支持標(biāo)準(zhǔn)圖形庫，可使用具有16個執(zhí)行單元的四個獨(dú)立的四分量浮點(diǎn)矢量（vec4）和高性能的二維位blit引擎來加速操作。VPU處理流行的視頻格式，加速解碼高達(dá)4Kp30（逐行，30 Hz）和編碼高達(dá)1080p30。反過來，該芯片的專用顯示控制器模塊可以將圖形輸出驅(qū)動到多達(dá)三個獨(dú)立的顯示器。

為了進(jìn)一步最大化性能，i.MX 8X架構(gòu)還集成了其他處理器內(nèi)核，這些處理器內(nèi)核旨在使主CPU平臺擺脫執(zhí)行系統(tǒng)管理和安全服務(wù)通常會產(chǎn)生的額外處理負(fù)載。對于系統(tǒng)管理，該體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)控制單元（SCU）集成了一個與用戶CM4復(fù)合體相匹配的CM4復(fù)合體，但仍完全專用于SCU操作，并且無法供開發(fā)人員使用。

結(jié)論

對于汽車，工業(yè)，樓宇控制和HMI等越來越多的應(yīng)用程序，處理工作負(fù)載已擴(kuò)展到既包括傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)I / O處理，也包括新興的具有多媒體圖形的應(yīng)用程序級處理。盡管每種工作負(fù)載都有設(shè)計(jì)選項(xiàng)，但很少有可用的解決方案能夠滿足對高性能，高能效解決方案的日益增長的需求，這些解決方案能夠滿足汽車和工業(yè)應(yīng)用中對安全認(rèn)證設(shè)計(jì)的要求。