多核處理器滿足壓力表多樣化的功能和安全性要求

預(yù)計汽車，工業(yè)，機器人技術(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)更多的工作負載，從低功耗實時監(jiān)控到具有用于人機界面（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，它們還必須能夠支持嚴格的安全標準，降低成本和占地面積，并優(yōu)化電源/性能平衡。

為了滿足這些有時有時相互沖突的要求，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)計來支持快速擴展的對廣泛功能和安全認證功能的要求列表）如何用于解決開發(fā)人員的挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計注意事項的演變

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)實時要求的同時提供優(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，同時最大限度地減少了設(shè)計占地面積，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)用對安全認證處理器的新興需求。

多核架構(gòu)可管理各種工作負載

開發(fā)人員在實現(xiàn)用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備時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時或高級應(yīng)用程序處理工作負載的地方，對智能子系統(tǒng)的需求已將這些明顯不同的計算類型合并在一起。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提供可靠的實時響應(yīng)和高性能應(yīng)用程序執(zhí)行的解決方案。

對于一般的實時處理任務(wù)，i.MX 8X設(shè)備包括帶浮點單元（FPU），內(nèi)存保護單元（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)核同時提供軟件兼容性和性能可擴展性，同時支持32位向后兼容性和64位性能。為了進一步加快計算密集型算法（例如信號處理和機器學(xué)習(xí)）的執(zhí)行速度，Arm Cortex-A35處理器提供了矢量浮點（VFP）處理和Arm的Neon單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）體系結(jié)構(gòu)擴展。為加速用于圖像處理，計算機視覺和機器學(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，可用于計算，密集的操作。

專用引擎可減輕主CPU的負擔(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支持標準圖形庫，可使用具有16個執(zhí)行單元的四個獨立的四分量浮點矢量（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4Kp30（逐行，30 Hz）和編碼高達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)動到多達三個獨立的顯示器。

為了進一步最大化性能，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，處理工作負載已擴展到既包括傳統(tǒng)的實時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。盡管每種工作負載都有設(shè)計選項，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)用中對安全認證設(shè)計的要求。