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一文读懂异构多处理系统

2018年05月14日 11:51 次阅读

早期嵌入式处理系统通常由一个微控制器和一系列外设构成。这些系统通常用来完成获取少量数据、处理数据、做出决策、基于决策结果输出信息等工作。在某些情况下会实现简单的人机交互接口如读取键盘并显示结果。处理需求、同时产生需求,以现在的标准来看似乎微不足道。现代嵌入式系统通常需要处理和分析十亿字节级的海量数据,而且常常在确定性和低延时运算上还有一些额外要求。许多应用还要求系统在满足相关行业标准的同时可靠符合可靠性和安全性要求。

目前,似乎还不可能在单一处理器上同时满足处理高带宽数据、执行系统应用程序、响应实时请求并满足行业安全标准。然而,多核异构芯片却可以实现这些功能。这样的设备具有多个处理单元,每一个单元都有能力负责处理一个或多个前述需求,我们称这样的设备为异构处理系统。

1 什么是异构多处理呢?

一个异构多处理系统由不同类型的多个单核心或多核心处理器构成,异构多核处理系统最简单的形式是由一个多核处理器和GPU组成。然而,现代科技让一颗芯片上的异构多处理系统包含以下模块:

①多核应用处理器(MulTIcore ApplicaTIons Processors);

②多核图形处理器(MulTIcore Graphics Processors;

③多核实时处理器(MulTIcore Real-Time Processors);

④平台管理单元(Platform Management Unit);

⑤配置和安全系统(Configuration and Security Unit);

⑥在FPGA可编程逻辑上实现特定多核处理器。

本文所引用的异构多核处理系统包括上述的多个分类。使用FPGA逻辑实现多核处理器的优势是:它可以创建自定义特殊应用处理器,通过并行Pipes和多Pipeline stages来实现二维并行数据处理,使得在一个时钟周期里可以完成大量的计算。

多核处理器可以设计用来执行通用计算或者是专用计算。和通用处理器执行相同功能相比较,专用计算在减小硅片封装、提高单时钟周期吞吐率、低功耗的同时能实现数据优化处理。

2 含可编程逻辑的异构处理系统演变

Xilinx在2002年推出了第一款带PowerPC405应用处理器的FPGA,在接下来的FPGA里,Xilinx在单片内集成了更高性能的PowerPC单核或双核处理器。不像现今产品代的器件处理系统是一个集成的ASSP(包含处理器、互联、存储控制器和外设),早期产品需要大量的FPGA资源将各部分资源连接在一起形成一个ASSP-like的解决方案。

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处理器、互联单元、内存控制器、外设以及基于Xilinx 7系列FPGA的可编程逻辑。有人肯能会认为Zynq-7000系列是第一代“异构多处理”系统,因为片上的可编程逻辑使得创建和使用专用处理单元成为现实。

3 含可编程逻辑的最新一代异构处理系统

2015年,Xilinx发布并且开始供货新一代异构多处理器件Zynq UltraScale+ MPSoC。之前的器件集成了可编程逻辑和一个或多个应用处理器,Zynq UltraScale+ MPSoC器件集成了:

①多核应用处理器:四核ARM Cortex-A53应用处理器;

②多核图形处理器:双核ARM Mali-400图形处理器;

③多核实时处理器:双核ARM Cortex-R5实时处理器,可同步运行安全性要求苛刻的应用;

④平台管理单元:一致性三冗余处理器用于power、错误管理和功能安全管理;

⑤配置和安全单元:一致性三冗余处理器用于系统配置和安全管理;

⑥FPGA可编程逻辑:用户可编程逻辑用于定制处理器、处理单元和外设。

一文读懂异构多处理系统

多核应用处理器是传统的用于通用计算的重负载处理器。这些处理器一般工作在SMP模式,运行一个Linux或Andriod操作系统,当然也支持虚拟管理运行多操作系统。

图形处理单元是继浮点运算单元之后最流行的协处理器。GPU从应用处理器分担图形处理负载,实现复杂的用户界面和复杂的图形渲染。对Andriod或Windows CE之类的操作系统而言,这些都是必须的基本功能。通用目的GPU(GPGPU)除了图形处理,还可以胜任数据阵列通用计算。

实时处理器可以低延时响应事件,和应用处理器比较通常也更具确定性。在大多数情况下会运行支持低延时中断处理和确定性应答的实时操作系统。在功能安全性应用中,实时处理器通常会运行在双核锁步模式下,这样可以检测双处理器中一个处理器出现的错误。

平台管理单元负责管理关键的系统功能和服务。这些功能包括系统错误处理、功耗管理和功能安全任务等。作为系统的心脏,该单元不容失败。因此,这里使用了包含表决逻辑的三冗余处理器,这使得即使有一个处理器核发生错误事件,子系统也可以继续运行。

配置和安全单元负责系统配置,包括加载处理器第一级Bootloader、可编程逻辑的配置bit stream,程序代码和bit文件均有可选的加密认证和解密功能。配置和安全单元还可提供持续的安全监控,比如过压或欠压、低温或高温、试图提取系统信息访问等。

片上可编程逻辑为异构处理带来了充分的灵活性。可以通过添加额外的现成的软核来处理特殊应用的计算任务,也可以在不同层级添加多pipeline和多pipeline stage自定义软核实现数据流的大规模并行处理。

4 异构多处理系统实例

机器人拾取和放置装配线是一个很常见的机器视觉和控制应用实例,这个应用通常有以下基本功能:

①高分辨率相机视频采集系统;

②包括亮度对比度调节、失真校正和消除死点等功能的视频图像处理;

③目标检测和识别;

④标记组件在装配中正确位置的算法决策;

⑤机器手臂运动路径选择;

⑥电机驱动控制;

⑦安全事件检测和关机;

⑧用于状态显示和系统控制的图形用户界面;

⑨配置和安全管理。

上述的每一个功能都可能需要特定的处理能力,比如,让通用处理器来处理实时HD图像,处理器很容易就会负载过重无法在特定时间完成处理。

那么,就让我们考虑使用这种异构多处理系统实现可能的解决方案。为了有助于更加形象的理解,Xilinx将会以Zynq UltraScale+ MPSoC控制机器人系统在平板电脑上玩纸牌游戏的例子来诠释。系统的部分功能已经实现并在“Embedded World 2016”展会上展示。

4.1 视频获取和处理

1080P60视频流要求3Gbps(373MB/s)的数据率,视频流路径上需要做的处理可能包括:亮度、对比度调节,白平衡,失真校正,死点剔除等。这些bit级处理用可编程逻辑完成非常高效,无需处理器太多参与。

4.2 目标检测和识别

初始对象检测通常需要扫描整幅图像寻找类似细节目标轮廓之类的关键特征,这项功能一般由可编程逻辑实现。一旦目标被判定为疑似目标,那么就可能需要执行更为复杂的算法对目标进行更进一步的决策判定。应用处理器通常负责目标识别的下一级数据量变小但算法更加复杂的处理。

在这个机器人纸牌游戏案例中,所有的图像都是通过可编程逻辑扫描,识别纸牌边界和定位游戏纸牌,以及纸牌的排列和花色。随着数据量明显降低,纸牌排列和边界图像被递交给应用处理器通过图像识别算法来识别排列和花色。

4.3 算法决策

算法决策一般是很复杂的处理,通常通用应用处理器可以很好的完成。在我们的例子里, 新牌打出的时候触发应用处理器计算新的关于牌的角色和运动可能的决策集。

4.4 运动路径选择

两点之间,直线最短,这样的路径会导致目标在两个端点之间发生冲突。运动路径通常被分为多段,并且需要从传统的笛卡尔坐标系中翻译到机器人运行系统坐标系。在我们的多核异构系统中,这既可以通过应用处理器完成也可以通过实时处理器完成。

机器人纸牌游戏相对而言会比较简单,因为在平板电脑上运动路径没有潜在的障碍物。我们在应用实例里选择了Delt机器人,Delt机器人结构通常是三个并联手臂连接到一个和受动器相关的通用关节执行器上。因此,受动器在3D笛卡尔坐标系中的运动必须翻译成三个独立马达的运动矢量,在这个应用中所需的x,y,z坐标参数传给实时处理器来计算三个机械手臂各自的运动路径。

4.5 电机驱动控制

电机控制算法用于控制加速、正常运行和减速,对机械约束允许的最小运动时间进行优化,确保在加减速的过程中不会对部件造成损害,减小能量消耗等等。上述计算和运动驱动一起,通常都是通过实时处理器来实现,实时处理器在这些方面体现出卓越的性能,在我们的例子里也是如此。实时处理器工作在锁步模式下来增加可靠性。

4.6 安全事件检测和关机

安全事件可以是人进入机器人视野,而机器人可能会对人类造成伤害,能够识别这一事件并且在一定程度上快速响应保护人类对系统而言至关重要。我们机器人纸牌运动员在其周围构建了一个红外线墙,当某一光束中断,机器人的电源会马上关闭,然后系统会立马停止。在这个例子里,可以使用三冗余平台管理单元,这个高度可靠的处理单元可以接收来自红外线墙的输入,在事件检测时关闭机器人。

4.7 图形用户接口

图形用户接口(GUIs)通常运行在Linux操作系统上层,Linux支持从基本的窗口管理器扩展到完整桌面环境。

这个纸牌机器人系统需要显示纸牌桌界面,实时预览HD相机图像,纸牌排列和花色检测窗口显示以及游戏状态窗口等等。Ubuntu桌面环境提供了一个很好的平台,在这上面前述内容都可以实现很好的显示,并且可以通过这些用户界面控制游戏。多核应用处理器是运行Linux和Ubuntu桌面的完美选择,集成的多核GPU用于融合显示2D、3D和视频数据。

4.8 配置和安全

处理系统需要启动操作系统和应用程序,可编程逻辑也需要配置。开发者越来越希望保护他们的代码和知识产权核不被竞争对手和黑客获取,因此代码和配置数据的加密和验证对确保代码正确加载至关重要。一旦运行,系统就需要保护免受外界影响。

在这个例子里面,配置和安全单元在纸牌游戏运行之前执行验证和解密代码及配置数据。烧录的E-Fuses可以保护配置和数据不能通过JTAG之类的接口回读。

系统攻击可能会导致信息泄露或者不正常的运行。这些攻击可能包括过压/欠压或者是超高温/超低温等,这些攻击可以被检测到并按需锁定系统。

5 总结

早期的嵌入式系统通常包含一个或几个微处理器来处理包括用户接口、数据采集、数据处理、外部控制和应用处理等各种各样的功能。接下来的各代产品带来更高性能的处理器、多核处理器、专用处理器和实时处理器。FPGA最初以胶合逻辑角色出现,随着他们逻辑量变大,已经用于实现额外的外设、状态机和大规模并行数据处理。最新一代Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC是一个单片异构多处理系统,它由多核应用处理器、多核图形处理器、多核实时处理器 、一个平台管理单元、一个配置和安全管理单元以及可实现多处理组件的编程逻辑组成。这样的器件使得软件和硬件都可以根据特定应用完全定制来充分满足目标嵌入式应用的要求。

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输入FPGA引脚上的25MHz时钟,配置PLL使其输出4路分别为12.5MHz、25MHz、50MH...

发表于 2018-04-24 11:20 120次阅读
FPGA学习:PLL分频计数的LED闪烁实例

学习FPGA的经验和教训

FPGA简单的说,就是现场可编程逻辑阵列。它的内部是逻辑单元,它们之间可以用线连接,至于以怎样的形式...

发表于 2018-04-24 10:12 190次阅读
学习FPGA的经验和教训

魏少军教授:AI芯片三大问题 中国芯片产业快速增...

芯片是实现AI的当然载体,清华大学魏少军教授指出,人工智能崛起的三个基本要素为算法、数据和算力。 A...

发表于 2018-04-23 13:43 4630次阅读
魏少军教授:AI芯片三大问题 中国芯片产业快速增...

一种基于仿真测试平台的实物自动化测试环境

动态测试因测试实施过程中被测系统处于运行状态,能够较为准确地反映系统实际运行时的行为,因此在测试技术...

发表于 2018-04-21 09:17 783次阅读
一种基于仿真测试平台的实物自动化测试环境

一文解析初学者如何学习FPGA

FPGA作为一种高新技术,由于其结构的特殊性,可以重复编程,开发周期较短,越来越受到电子爱好者的青睐...

发表于 2018-04-21 03:51 324次阅读
一文解析初学者如何学习FPGA

莱迪思发布全新FPGA设计软件_Lattice ...

莱迪思半导体公司推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant,适用于需要开发低功耗嵌...

发表于 2018-04-21 03:13 453次阅读
莱迪思发布全新FPGA设计软件_Lattice ...

基于FPGA的移动目标实时定位跟踪系统

基于实时物体移动的静态图像背景中移动目标检测是计算机视觉领域的研究热点,在安防、监控、智能交通、机器...

发表于 2018-04-20 15:50 256次阅读
基于FPGA的移动目标实时定位跟踪系统

零基础学FPGA设计难吗 FPGA基本知识介绍

很多初学者觉得学FPGA很难,需要很多的基础,得懂VERILOG设计、会画原理图,会画PCB,还有各...

发表于 2018-04-20 15:41 233次阅读
零基础学FPGA设计难吗 FPGA基本知识介绍

FPGA设计之时序逻辑的模板

模块的模板包括了输入输出信号列表、信号定义,组合逻辑和时序逻辑等,这是一个模块常用的组件。学员只需要...

发表于 2018-04-20 15:40 104次阅读
FPGA设计之时序逻辑的模板

电源与规定的电流阶跃测试方案

许多应用处理器均需要现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和其它大功率中央处理器(C...

发表于 2018-04-20 09:18 956次阅读
电源与规定的电流阶跃测试方案

如何进行分FPGA模块划分

模块划分,顾名思义是指模块的划分。但是,明德扬至简设计法提出的模块划分,是广义的“模块划分”。后续所...

发表于 2018-04-20 02:44 137次阅读
如何进行分FPGA模块划分

基于FPGA开发的万年历系统

与传统计时工具如钟表日历等相比,数字万年历具备精确度高、成本低廉、运行稳定、功能多样等众多优点,因此...

发表于 2018-04-19 12:35 149次阅读
基于FPGA开发的万年历系统

基于fpga的数字时钟设计应用

本工程包括矩阵键盘和数码管显示模块,共同实现一个带有闹钟功能、可以设置时间的数字时钟。具体功能如下:...

发表于 2018-04-19 10:27 296次阅读
基于fpga的数字时钟设计应用

基于FPGA的篮球24秒倒计时系统设计

本工程包含了两个按键和4位数码管显示,共同实现一个篮球24秒倒计时、并具有暂停和重新计数复位的功能。...

发表于 2018-04-19 10:24 149次阅读
基于FPGA的篮球24秒倒计时系统设计

6个步骤 让你成为FPGA设计高手

VHDL和verilog各有优点,选择一个,建议选择verilog。熟练使用设计软件,知道怎样编译、...

发表于 2018-04-19 09:05 299次阅读
6个步骤 让你成为FPGA设计高手

fpga就业怎么样_fpga工程师是青春饭吗_f...

随着科技的发展,技术提高产品性能要求越来越高,近几年可编程的门阵列(FPGA)技术发展迅速,其高度的...

发表于 2018-04-19 09:03 1257次阅读
fpga就业怎么样_fpga工程师是青春饭吗_f...

如何排除FPGA电源定序问题

当电源定序不当时,就有可能发生闭锁失灵或电流消耗过大的现象。如果两个电源加到芯核接口和I/O接口上的...

发表于 2018-04-19 01:59 155次阅读
如何排除FPGA电源定序问题

fpga应用领域_fpga应用三个主要方向

本文首先介绍了fpga的优势及特点,其次介绍了fpga的应用领域,最后阐述了fpga应用的三个主要方...

发表于 2018-04-18 10:15 355次阅读
fpga应用领域_fpga应用三个主要方向

一文看懂fpga和单片机的区别

本文首先介绍了fpga的工作原理及特点,其次介绍了单片机的工作原理及特点,最后阐述了fpga和单片机...

发表于 2018-04-18 09:51 1204次阅读
一文看懂fpga和单片机的区别

一文解析FPGA的片上资源使用情况(组合逻辑及时...

本文主要介绍的是FPGA的片上资源使用情况,分别是从组合逻辑及时序逻辑来详细的分析。

发表于 2018-04-18 09:06 290次阅读
一文解析FPGA的片上资源使用情况(组合逻辑及时...

基于FPGA为实现平台的低功耗高速解码器系统

在本文中,利用自编码神经网络的编码器对输入数据进行编码,所得到隐含层的输出数据称为原始数据的编...

发表于 2018-04-18 08:58 451次阅读
基于FPGA为实现平台的低功耗高速解码器系统

ARM,DSP,FPGA,CPLD,SOPC,S...

ARM,DSP,FPGA,CPLD,SOPC,SOC之间有什么区别和联系 arm是一种嵌入式芯片,比...

发表于 2018-04-18 07:19 197次阅读
ARM,DSP,FPGA,CPLD,SOPC,S...

Xilinx Zynq-7000 All Pro...

当前工业工厂自动化需要机器视觉来快速准确检测检查生产线,确保高质量控制。这些稳定可靠的系统需要从简单...

发表于 2018-04-17 17:57 100次阅读
Xilinx Zynq-7000 All Pro...

掌握 Verilog FPGA设计和验证方法是A...

在嵌入式系统研发领域,随着产品AI化升级进程,原先设计常规数字系统的FPGA硬件工程师和系统软件设计...

发表于 2018-04-17 16:12 714次阅读
掌握 Verilog FPGA设计和验证方法是A...

ECP5-5G及ECP5-5G Versa开发板...

Lattice公司的ECP5-5G系列是低成本低功耗小尺寸的FPGA系列产品,提供高性能特性如增强的...

发表于 2018-04-17 03:38 108次阅读
ECP5-5G及ECP5-5G Versa开发板...

嵌入式视觉和网络边缘智能应用市场前景愈加明朗

十年前,嵌入式视觉技术主要用于比较少见、高度专业化的应用。今天,设计工程师们在越来越多新兴的工业、汽...

发表于 2018-04-16 17:20 2146次阅读
嵌入式视觉和网络边缘智能应用市场前景愈加明朗

百度和赛灵思加码FPGA 云加速人工智能应用大比...

本次大赛将以一个互联网应用(如CTR)为切入点,比赛协办方将提供资源(包括 AI 加速器)和数据集,...

发表于 2018-04-13 16:51 95次阅读
百度和赛灵思加码FPGA 云加速人工智能应用大比...

基于数字特征的识别算法设计实现

基于数字特征的识别算法其核心是通过对数字的形状以及结构等几何特征进行分析与统计,通过对数字特征的识别...

发表于 2018-04-13 16:39 192次阅读
基于数字特征的识别算法设计实现

基于FPGA微秒级实时金融指数行情计算

研究实时金融指数行情数据的高速分发及应用接口技术,采用高速传输总线结构实现实时金融指数行情数据的提取...

发表于 2018-04-13 16:07 1020次阅读
基于FPGA微秒级实时金融指数行情计算

使用英特尔 FPGA 加速企业工作负载已成为主流...

英特尔宣布原始设备制造商 (OEM) 在其服务器系列中采用了英特尔现场可编程门阵列 (FPGA) 加...

发表于 2018-04-12 12:51 2673次阅读
使用英特尔 FPGA 加速企业工作负载已成为主流...

FPGA介绍及现状分析_如何学习FPGA?

中国每年对于FPGA设计人才的需求缺口巨大,FPGA设计人才的薪水也是行业内最高的。目前,美国已有F...

发表于 2018-04-10 10:22 681次阅读
FPGA介绍及现状分析_如何学习FPGA?

开发FPGA的第一步,当然是选择一片符合设计需求...

首先需要分析功能需求,然后在平衡资源与速度后,估计速度需求。同样也可以根据之前的设计来确定,根据FP...

发表于 2018-04-08 16:22 700次阅读
开发FPGA的第一步,当然是选择一片符合设计需求...

解决FPGA一个解复用和时钟域转换问题

SERDES恢复出的数据进入FPGA有一个解复用和时钟域转换的问题,Stratix GX包含了专用电...

发表于 2018-04-08 08:46 1536次阅读
解决FPGA一个解复用和时钟域转换问题

基于UltraScale+FPGA可编程逻辑D...

随着实施基于云的服务和机器到机器通信所产生的数据呈指数级增长,数据中心面临重重挑战....

发表于 2018-04-08 08:43 1837次阅读
 基于UltraScale+FPGA可编程逻辑D...