什么是異構多處理系統，為什么需要異構多處理系統？

　　早期嵌入式處理系統通常由一個(gè)微控制器和一系列外設構成。這些系統通常用來(lái)完成獲取少量數據、處理數據、做出決策、基于決策結果輸出信息等工作。在某些情況下會(huì )實(shí)現簡(jiǎn)單的人機交互接口如讀取鍵盤(pán)并顯示結果。處理需求、同時(shí)產(chǎn)生需求，以現在的標準來(lái)看似乎微不足道?，F代嵌入式系統通常需要處理和分析十億字節級的海量數據，而且常常在確定性和低延時(shí)運算上還有一些額外要求。許多應用還要求系統在滿(mǎn)足相關(guān)行業(yè)標準的同時(shí)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(shí)滿(mǎn)足處理高帶寬數據、執行系統應用程序、響應實(shí)時(shí)請求并滿(mǎn)足行業(yè)安全標準。然而，多核異構芯片卻可以實(shí)現這些功能。這樣的設備具有多個(gè)處理單元，每一個(gè)單元都有能力負責處理一個(gè)或多個(gè)前述需求，我們稱(chēng)這樣的設備為異構處理系統。

　　1 什么是異構多處理呢?

　　一個(gè)異構多處理系統由不同類(lèi)型的多個(gè)單核心或多核心處理器構成，異構多核處理系統最簡(jiǎn)單的形式是由一個(gè)多核處理器和GPU組成。然而，現代科技讓一顆芯片上的異構多處理系統包含以下模塊：

　?、俣嗪藨锰幚砥?Multicore Applications Processors);

　?、诙嗪藞D形處理器(Multicore Graphics Processors;

　?、鄱嗪藢?shí)時(shí)處理器(Multicore Real-Time Processors);

　?、芷脚_管理單元(Platform Management Unit);

　?、菖渲煤桶踩到y(Configuration and Security Unit);

　?、拊?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA可編程邏輯上實(shí)現特定多核處理器。

　　本文所引用的異構多核處理系統包括上述的多個(gè)分類(lèi)。使用FPGA邏輯實(shí)現多核處理器的優(yōu)勢是：它可以創(chuàng )建自定義特殊應用處理器，通過(guò)并行Pipes和多Pipeline stages來(lái)實(shí)現二維并行數據處理，使得在一個(gè)時(shí)鐘周期里可以完成大量的計算。

　　多核處理器可以設計用來(lái)執行通用計算或者是專(zhuān)用計算。和通用處理器執行相同功能相比較，專(zhuān)用計算在減小硅片封裝、提高單時(shí)鐘周期吞吐率、低功耗的同時(shí)能實(shí)現數據優(yōu)化處理。

　　2 含可編程邏輯的異構處理系統演變

　　Xilinx在2002年推出了第一款帶PowerPC405應用處理器的FPGA，在接下來(lái)的FPGA里，Xilinx在單片內集成了更高性能的PowerPC單核或雙核處理器。不像現今產(chǎn)品代的器件處理系統是一個(gè)集成的ASSP(包含處理器、互聯(lián)、存儲控制器和外設)，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(gè)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、內存控制器、外設以及基于Xilinx 7系列FPGA的可編程邏輯。有人肯能會(huì )認為Zynq-7000系列是第一代“異構多處理”系統，因為片上的可編程邏輯使得創(chuàng )建和使用專(zhuān)用處理單元成為現實(shí)。

　　3 含可編程邏輯的最新一代異構處理系統

　　2015年，Xilinx發(fā)布并且開(kāi)始供貨新一代異構多處理器件Zynq UltraScale+ MPSoC。之前的器件集成了可編程邏輯和一個(gè)或多個(gè)應用處理器，Zynq UltraScale+ MPSoC器件集成了：

　?、俣嗪藨锰幚砥鳎核暮?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM Cortex-A53應用處理器;

　?、诙嗪藞D形處理器：雙核ARM Mali-400圖形處理器;

　?、鄱嗪藢?shí)時(shí)處理器：雙核ARM Cortex-R5實(shí)時(shí)處理器，可同步運行安全性要求苛刻的應用;

　?、芷脚_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;

　?、菖渲煤桶踩珕卧阂恢滦匀哂嗵幚砥饔糜谙到y配置和安全管理;

　?、轋PGA可編程邏輯：用戶(hù)可編程邏輯用于定制處理器、處理單元和外設。

　　多核應用處理器是傳統的用于通用計算的重負載處理器。這些處理器一般工作在SMP模式，運行一個(gè)Linux或Andriod操作系統，當然也支持虛擬管理運行多操作系統。

　　圖形處理單元是繼浮點(diǎn)運算單元之后最流行的協(xié)處理器。GPU從應用處理器分擔圖形處理負載，實(shí)現復雜的用戶(hù)界面和復雜的圖形渲染。對Andriod或Windows CE之類(lèi)的操作系統而言，這些都是必須的基本功能。通用目的GPU(GPGPU)除了圖形處理，還可以勝任數據陣列通用計算。

　　實(shí)時(shí)處理器可以低延時(shí)響應事件，和應用處理器比較通常也更具確定性。在大多數情況下會(huì )運行支持低延時(shí)中斷處理和確定性應答的實(shí)時(shí)操作系統。在功能安全性應用中，實(shí)時(shí)處理器通常會(huì )運行在雙核鎖步模式下，這樣可以檢測雙處理器中一個(gè)處理器出現的錯誤。

　　平臺管理單元負責管理關(guān)鍵的系統功能和服務(wù)。這些功能包括系統錯誤處理、功耗管理和功能安全任務(wù)等。作為系統的心臟，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(gè)處理器核發(fā)生錯誤事件，子系統也可以繼續運行。

　　配置和安全單元負責系統配置，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證和解密功能。配置和安全單元還可提供持續的安全監控，比如過(guò)壓或欠壓、低溫或高溫、試圖提取系統信息訪(fǎng)問(wèn)等。

　　片上可編程邏輯為異構處理帶來(lái)了充分的靈活性?？梢酝ㄟ^(guò)添加額外的現成的軟核來(lái)處理特殊應用的計算任務(wù)，也可以在不同層級添加多pipeline和多pipeline stage自定義軟核實(shí)現數據流的大規模并行處理。