什么是異構(gòu)多處理系統(tǒng)，為什么需要異構(gòu)多處理系統(tǒng)？

早期嵌入式處理系統(tǒng)通常由一個微控制器和一系列外設(shè)構(gòu)成。這些系統(tǒng)通常用來完成獲取少量數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、做出決策、基于決策結(jié)果輸出信息等工作。在某些情況下會實現(xiàn)簡單的人機交互接口如讀取鍵盤并顯示結(jié)果。處理需求、同時產(chǎn)生需求，以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看似乎微不足道?，F(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常需要處理和分析十億字節(jié)級的海量數(shù)據(jù)，而且常常在確定性和低延時運算上還有一些額外要求。許多應(yīng)用還要求系統(tǒng)在滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時可靠符合可靠性和安全性要求。
目前，似乎還不可能在單一處理器上同時滿足處理高帶寬數(shù)據(jù)、執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序、響應(yīng)實時請求并滿足行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。然而，多核異構(gòu)芯片卻可以實現(xiàn)這些功能。這樣的設(shè)備具有多個處理單元，每一個單元都有能力負(fù)責(zé)處理一個或多個前述需求，我們稱這樣的設(shè)備為異構(gòu)處理系統(tǒng)。
1 什么是異構(gòu)多處理呢?
一個異構(gòu)多處理系統(tǒng)由不同類型的多個單核心或多核心處理器構(gòu)成，異構(gòu)多核處理系統(tǒng)最簡單的形式是由一個多核處理器和GPU組成。然而，現(xiàn)代科技讓一顆芯片上的異構(gòu)多處理系統(tǒng)包含以下模塊：
①多核應(yīng)用處理器(Multicore Applications Processors);
②多核圖形處理器(Multicore Graphics Processors;
③多核實時處理器(Multicore Real-Time Processors);
④平臺管理單元(Platform Management Unit);
⑤配置和安全系統(tǒng)(Configuration and Security Unit);
⑥在FPGA可編程邏輯上實現(xiàn)特定多核處理器。
本文所引用的異構(gòu)多核處理系統(tǒng)包括上述的多個分類。使用FPGA邏輯實現(xiàn)多核處理器的優(yōu)勢是：它可以創(chuàng)建自定義特殊應(yīng)用處理器，通過并行Pipes和多Pipeline stages來實現(xiàn)二維并行數(shù)據(jù)處理，使得在一個時鐘周期里可以完成大量的計算。
多核處理器可以設(shè)計用來執(zhí)行通用計算或者是專用計算。和通用處理器執(zhí)行相同功能相比較，專用計算在減小硅片封裝、提高單時鐘周期吞吐率、低功耗的同時能實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。
2 含可編程邏輯的異構(gòu)處理系統(tǒng)演變
Xilinx在2002年推出了第一款帶PowerPC405應(yīng)用處理器的FPGA，在接下來的FPGA里，Xilinx在單片內(nèi)集成了更高性能的PowerPC單核或雙核處理器。不像現(xiàn)今產(chǎn)品代的器件處理系統(tǒng)是一個集成的ASSP(包含處理器、互聯(lián)、存儲控制器和外設(shè))，早期產(chǎn)品需要大量的FPGA資源將各部分資源連接在一起形成一個ASSP-like的解決方案。
2011年，Xilinx推出了Zynq-7000系列高集成度的器件，它集成了ARM Cortex-A9 MPCore處理器、互聯(lián)單元、內(nèi)存控制器、外設(shè)以及基于Xilinx 7系列FPGA的可編程邏輯。有人肯能會認(rèn)為Zynq-7000系列是第一代“異構(gòu)多處理”系統(tǒng)，因為片上的可編程邏輯使得創(chuàng)建和使用專用處理單元成為現(xiàn)實。
3 含可編程邏輯的最新一代異構(gòu)處理系統(tǒng)
2015年，Xilinx發(fā)布并且開始供貨新一代異構(gòu)多處理器件Zynq UltraScale+ MPSoC。之前的器件集成了可編程邏輯和一個或多個應(yīng)用處理器，Zynq UltraScale+ MPSoC器件集成了：
①多核應(yīng)用處理器：四核ARM Cortex-A53應(yīng)用處理器;
②多核圖形處理器：雙核ARM Mali-400圖形處理器;
③多核實時處理器：雙核ARM Cortex-R5實時處理器，可同步運行安全性要求苛刻的應(yīng)用;
④平臺管理單元：一致性三冗余處理器用于power、錯誤管理和功能安全管理;
⑤配置和安全單元：一致性三冗余處理器用于系統(tǒng)配置和安全管理;
⑥FPGA可編程邏輯：用戶可編程邏輯用于定制處理器、處理單元和外設(shè)。

多核應(yīng)用處理器是傳統(tǒng)的用于通用計算的重負(fù)載處理器。這些處理器一般工作在SMP模式，運行一個Linux或Andriod操作系統(tǒng)，當(dāng)然也支持虛擬管理運行多操作系統(tǒng)。
圖形處理單元是繼浮點運算單元之后最流行的協(xié)處理器。GPU從應(yīng)用處理器分擔(dān)圖形處理負(fù)載，實現(xiàn)復(fù)雜的用戶界面和復(fù)雜的圖形渲染。對Andriod或Windows CE之類的操作系統(tǒng)而言，這些都是必須的基本功能。通用目的GPU(GPGPU)除了圖形處理，還可以勝任數(shù)據(jù)陣列通用計算。
實時處理器可以低延時響應(yīng)事件，和應(yīng)用處理器比較通常也更具確定性。在大多數(shù)情況下會運行支持低延時中斷處理和確定性應(yīng)答的實時操作系統(tǒng)。在功能安全性應(yīng)用中，實時處理器通常會運行在雙核鎖步模式下，這樣可以檢測雙處理器中一個處理器出現(xiàn)的錯誤。
平臺管理單元負(fù)責(zé)管理關(guān)鍵的系統(tǒng)功能和服務(wù)。這些功能包括系統(tǒng)錯誤處理、功耗管理和功能安全任務(wù)等。作為系統(tǒng)的心臟，該單元不容失敗。因此，這里使用了包含表決邏輯的三冗余處理器，這使得即使有一個處理器核發(fā)生錯誤事件，子系統(tǒng)也可以繼續(xù)運行。
配置和安全單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置，包括加載處理器第一級Bootloader、可編程邏輯的配置bit stream，程序代碼和bit文件均有可選的加密認(rèn)證和解密功能。配置和安全單元還可提供持續(xù)的安全監(jiān)控，比如過壓或欠壓、低溫或高溫、試圖提取系統(tǒng)信息訪問等。
片上可編程邏輯為異構(gòu)處理帶來了充分的靈活性?？梢酝ㄟ^添加額外的現(xiàn)成的軟核來處理特殊應(yīng)用的計算任務(wù)，也可以在不同層級添加多pipeline和多pipeline stage自定義軟核實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的大規(guī)模并行處理。
4 異構(gòu)多處理系統(tǒng)實例
機器人拾取和放置裝配線是一個很常見的機器視覺和控制應(yīng)用實例，這個應(yīng)用通常有以下基本功能：
①高分辨率相機視頻采集系統(tǒng);
②包括亮度對比度調(diào)節(jié)、失真校正和消除死點等功能的視頻圖像處理;
③目標(biāo)檢測和識別;
④標(biāo)記組件在裝配中正確位置的算法決策;
⑤機器手臂運動路徑選擇;
⑥電機驅(qū)動控制;
⑦安全事件檢測和關(guān)機;
⑧用于狀態(tài)顯示和系統(tǒng)控制的圖形用戶界面;
⑨配置和安全管理。
上述的每一個功能都可能需要特定的處理能力，比如，讓通用處理器來處理實時HD圖像，處理器很容易就會負(fù)載過重?zé)o法在特定時間完成處理。
那么，就讓我們考慮使用這種異構(gòu)多處理系統(tǒng)實現(xiàn)可能的解決方案。為了有助于更加形象的理解，Xilinx將會以Zynq UltraScale+ MPSoC控制機器人系統(tǒng)在平板電腦上玩紙牌游戲的例子來詮釋。系統(tǒng)的部分功能已經(jīng)實現(xiàn)并在“Embedded World 2016”展會上展示。
4.1 視頻獲取和處理
1080P60視頻流要求3Gbps(373MB/s)的數(shù)據(jù)率，視頻流路徑上需要做的處理可能包括：亮度、對比度調(diào)節(jié)，白平衡，失真校正，死點剔除等。這些bit級處理用可編程邏輯完成非常高效，無需處理器太多參與。
4.2 目標(biāo)檢測和識別
初始對象檢測通常需要掃描整幅圖像尋找類似細(xì)節(jié)目標(biāo)輪廓之類的關(guān)鍵特征，這項功能一般由可編程邏輯實現(xiàn)。一旦目標(biāo)被判定為疑似目標(biāo)，那么就可能需要執(zhí)行更為復(fù)雜的算法對目標(biāo)進行更進一步的決策判定。應(yīng)用處理器通常負(fù)責(zé)目標(biāo)識別的下一級數(shù)據(jù)量變小但算法更加復(fù)雜的處理。
在這個機器人紙牌游戲案例中，所有的圖像都是通過可編程邏輯掃描，識別紙牌邊界和定位游戲紙牌，以及紙牌的排列和花色。隨著數(shù)據(jù)量明顯降低，紙牌排列和邊界圖像被遞交給應(yīng)用處理器通過圖像識別算法來識別排列和花色。
4.3 算法決策
算法決策一般是很復(fù)雜的處理，通常通用應(yīng)用處理器可以很好的完成。在我們的例子里， 新牌打出的時候觸發(fā)應(yīng)用處理器計算新的關(guān)于牌的角色和運動可能的決策集。
4.4 運動路徑選擇
兩點之間，直線最短，這樣的路徑會導(dǎo)致目標(biāo)在兩個端點之間發(fā)生沖突。運動路徑通常被分為多段，并且需要從傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系中翻譯到機器人運行系統(tǒng)坐標(biāo)系。在我們的多核異構(gòu)系統(tǒng)中，這既可以通過應(yīng)用處理器完成也可以通過實時處理器完成。
機器人紙牌游戲相對而言會比較簡單，因為在平板電腦上運動路徑?jīng)]有潛在的障礙物。我們在應(yīng)用實例里選擇了Delt機器人，Delt機器人結(jié)構(gòu)通常是三個并聯(lián)手臂連接到一個和受動器相關(guān)的通用關(guān)節(jié)執(zhí)行器上。因此，受動器在3D笛卡爾坐標(biāo)系中的運動必須翻譯成三個獨立馬達的運動矢量，在這個應(yīng)用中所需的x,y,z坐標(biāo)參數(shù)傳給實時處理器來計算三個機械手臂各自的運動路徑。
4.5 電機驅(qū)動控制
電機控制算法用于控制加速、正常運行和減速，對機械約束允許的最小運動時間進行優(yōu)化，確保在加減速的過程中不會對部件造成損害，減小能量消耗等等。上述計算和運動驅(qū)動一起，通常都是通過實時處理器來實現(xiàn)，實時處理器在這些方面體現(xiàn)出卓越的性能，在我們的例子里也是如此。實時處理器工作在鎖步模式下來增加可靠性。
4.6 安全事件檢測和關(guān)機
安全事件可以是人進入機器人視野，而機器人可能會對人類造成傷害，能夠識別這一事件并且在一定程度上快速響應(yīng)保護人類對系統(tǒng)而言至關(guān)重要。我們機器人紙牌運動員在其周圍構(gòu)建了一個紅外線墻，當(dāng)某一光束中斷，機器人的電源會馬上關(guān)閉，然后系統(tǒng)會立馬停止。在這個例子里，可以使用三冗余平臺管理單元，這個高度可靠的處理單元可以接收來自紅外線墻的輸入，在事件檢測時關(guān)閉機器人。
4.7 圖形用戶接口
圖形用戶接口(GUIs)通常運行在Linux操作系統(tǒng)上層，Linux支持從基本的窗口管理器擴展到完整桌面環(huán)境。
這個紙牌機器人系統(tǒng)需要顯示紙牌桌界面，實時預(yù)覽HD相機圖像，紙牌排列和花色檢測窗口顯示以及游戲狀態(tài)窗口等等。Ubuntu桌面環(huán)境提供了一個很好的平臺，在這上面前述內(nèi)容都可以實現(xiàn)很好的顯示，并且可以通過這些用戶界面控制游戲。多核應(yīng)用處理器是運行Linux和Ubuntu桌面的完美選擇，集成的多核GPU用于融合顯示2D、3D和視頻數(shù)據(jù)。
4.8 配置和安全
處理系統(tǒng)需要啟動操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可編程邏輯也需要配置。開發(fā)者越來越希望保護他們的代碼和知識產(chǎn)權(quán)核不被競爭對手和黑客獲取，因此代碼和配置數(shù)據(jù)的加密和驗證對確保代碼正確加載至關(guān)重要。一旦運行，系統(tǒng)就需要保護免受外界影響。
在這個例子里面，配置和安全單元在紙牌游戲運行之前執(zhí)行驗證和解密代碼及配置數(shù)據(jù)。燒錄的E-Fuses可以保護配置和數(shù)據(jù)不能通過JTAG之類的接口回讀。
系統(tǒng)攻擊可能會導(dǎo)致信息泄露或者不正常的運行。這些攻擊可能包括過壓/欠壓或者是超高溫/超低溫等，這些攻擊可以被檢測到并按需鎖定系統(tǒng)。
5 總結(jié)
早期的嵌入式系統(tǒng)通常包含一個或幾個微處理器來處理包括用戶接口、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、外部控制和應(yīng)用處理等各種各樣的功能。接下來的各代產(chǎn)品帶來更高性能的處理器、多核處理器、專用處理器和實時處理器。FPGA最初以膠合邏輯角色出現(xiàn)，隨著他們邏輯量變大，已經(jīng)用于實現(xiàn)額外的外設(shè)、狀態(tài)機和大規(guī)模并行數(shù)據(jù)處理。最新一代Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC是一個單片異構(gòu)多處理系統(tǒng)，它由多核應(yīng)用處理器、多核圖形處理器、多核實時處理器 、一個平臺管理單元、一個配置和安全管理單元以及可實現(xiàn)多處理組件的編程邏輯組成。這樣的器件使得軟件和硬件都可以根據(jù)特定應(yīng)用完全定制來充分滿足目標(biāo)嵌入式應(yīng)用的要求。