什么是異構多處理系統，為什么需要異構多處理系統？

　　4 異構多處理系統實(shí)例

　　機器人拾取和放置裝配線(xiàn)是一個(gè)很常見(jiàn)的機器視覺(jué)和控制應用實(shí)例，這個(gè)應用通常有以下基本功能：

　?、俑叻直媛氏鄼C視頻采集系統;

　?、诎炼葘Ρ榷日{節、失真校正和消除死點(diǎn)等功能的視頻圖像處理;

　?、勰繕藱z測和識別;

　?、軜擞浗M件在裝配中正確位置的算法決策;

　?、輽C器手臂運動(dòng)路徑選擇;

　?、揠姍C驅動(dòng)控制;

　?、甙踩录z測和關(guān)機;

　?、嘤糜跔顟B(tài)顯示和系統控制的圖形用戶(hù)界面;

　?、崤渲煤桶踩芾?。

　　上述的每一個(gè)功能都可能需要特定的處理能力，比如，讓通用處理器來(lái)處理實(shí)時(shí)HD圖像，處理器很容易就會(huì )負載過(guò)重無(wú)法在特定時(shí)間完成處理。

　　那么，就讓我們考慮使用這種異構多處理系統實(shí)現可能的解決方案。為了有助于更加形象的理解，Xilinx將會(huì )以Zynq UltraScale+ MPSoC控制機器人系統在平板電腦上玩紙牌游戲的例子來(lái)詮釋。系統的部分功能已經(jīng)實(shí)現并在“Embedded World 2016”展會(huì )上展示。

　　4.1 視頻獲取和處理

　　1080P60視頻流要求3Gbps(373MB/s)的數據率，視頻流路徑上需要做的處理可能包括：亮度、對比度調節，白平衡，失真校正，死點(diǎn)剔除等。這些bit級處理用可編程邏輯完成非常高效，無(wú)需處理器太多參與。

　　4.2 目標檢測和識別

　　初始對象檢測通常需要掃描整幅圖像尋找類(lèi)似細節目標輪廓之類(lèi)的關(guān)鍵特征，這項功能一般由可編程邏輯實(shí)現。一旦目標被判定為疑似目標，那么就可能需要執行更為復雜的算法對目標進(jìn)行更進(jìn)一步的決策判定。應用處理器通常負責目標識別的下一級數據量變小但算法更加復雜的處理。

　　在這個(gè)機器人紙牌游戲案例中，所有的圖像都是通過(guò)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(zhù)數據量明顯降低，紙牌排列和邊界圖像被遞交給應用處理器通過(guò)圖像識別算法來(lái)識別排列和花色。

　　4.3 算法決策

　　算法決策一般是很復雜的處理，通常通用應用處理器可以很好的完成。在我們的例子里， 新牌打出的時(shí)候觸發(fā)應用處理器計算新的關(guān)于牌的角色和運動(dòng)可能的決策集。

　　4.4 運動(dòng)路徑選擇

　　兩點(diǎn)之間，直線(xiàn)最短，這樣的路徑會(huì )導致目標在兩個(gè)端點(diǎn)之間發(fā)生沖突。運動(dòng)路徑通常被分為多段，并且需要從傳統的笛卡爾坐標系中翻譯到機器人運行系統坐標系。在我們的多核異構系統中，這既可以通過(guò)應用處理器完成也可以通過(guò)實(shí)時(shí)處理器完成。

　　機器人紙牌游戲相對而言會(huì )比較簡(jiǎn)單，因為在平板電腦上運動(dòng)路徑?jīng)]有潛在的障礙物。我們在應用實(shí)例里選擇了Delt機器人，Delt機器人結構通常是三個(gè)并聯(lián)手臂連接到一個(gè)和受動(dòng)器相關(guān)的通用關(guān)節執行器上。因此，受動(dòng)器在3D笛卡爾坐標系中的運動(dòng)必須翻譯成三個(gè)獨立馬達的運動(dòng)矢量，在這個(gè)應用中所需的x,y,z坐標參數傳給實(shí)時(shí)處理器來(lái)計算三個(gè)機械手臂各自的運動(dòng)路徑。

　　4.5 電機驅動(dòng)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(dòng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，確保在加減速的過(guò)程中不會(huì )對部件造成損害，減小能量消耗等等。上述計算和運動(dòng)驅動(dòng)一起，通常都是通過(guò)實(shí)時(shí)處理器來(lái)實(shí)現，實(shí)時(shí)處理器在這些方面體現出卓越的性能，在我們的例子里也是如此。實(shí)時(shí)處理器工作在鎖步模式下來(lái)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(jìn)入機器人視野，而機器人可能會(huì )對人類(lèi)造成傷害，能夠識別這一事件并且在一定程度上快速響應保護人類(lèi)對系統而言至關(guān)重要。我們機器人紙牌運動(dòng)員在其周?chē)鷺嫿艘粋€(gè)紅外線(xiàn)墻，當某一光束中斷，機器人的電源會(huì )馬上關(guān)閉，然后系統會(huì )立馬停止。在這個(gè)例子里，可以使用三冗余平臺管理單元，這個(gè)高度可靠的處理單元可以接收來(lái)自紅外線(xiàn)墻的輸入，在事件檢測時(shí)關(guān)閉機器人。

　　4.7 圖形用戶(hù)接口

　　圖形用戶(hù)接口(GUIs)通常運行在Linux操作系統上層，Linux支持從基本的窗口管理器擴展到完整桌面環(huán)境。

　　這個(gè)紙牌機器人系統需要顯示紙牌桌界面，實(shí)時(shí)預覽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(gè)很好的平臺，在這上面前述內容都可以實(shí)現很好的顯示，并且可以通過(guò)這些用戶(hù)界面控制游戲。多核應用處理器是運行Linux和Ubuntu桌面的完美選擇，集成的多核GPU用于融合顯示2D、3D和視頻數據。

　　4.8 配置和安全

　　處理系統需要啟動(dòng)操作系統和應用程序，可編程邏輯也需要配置。開(kāi)發(fā)者越來(lái)越希望保護他們的代碼和知識產(chǎn)權核不被競爭對手和黑客獲取，因此代碼和配置數據的加密和驗證對確保代碼正確加載至關(guān)重要。一旦運行，系統就需要保護免受外界影響。

　　在這個(gè)例子里面，配置和安全單元在紙牌游戲運行之前執行驗證和解密代碼及配置數據。燒錄的E-Fuses可以保護配置和數據不能通過(guò)JTAG之類(lèi)的接口回讀。

　　系統攻擊可能會(huì )導致信息泄露或者不正常的運行。這些攻擊可能包括過(guò)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。

　　5 總結

　　早期的嵌入式系統通常包含一個(gè)或幾個(gè)微處理器來(lái)處理包括用戶(hù)接口、數據采集、數據處理、外部控制和應用處理等各種各樣的功能。接下來(lái)的各代產(chǎn)品帶來(lái)更高性能的處理器、多核處理器、專(zhuān)用處理器和實(shí)時(shí)處理器。FPGA最初以膠合邏輯角色出現，隨著(zhù)他們邏輯量變大，已經(jīng)用于實(shí)現額外的外設、狀態(tài)機和大規模并行數據處理。最新一代Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC是一個(gè)單片異構多處理系統，它由多核應用處理器、多核圖形處理器、多核實(shí)時(shí)處理器 、一個(gè)平臺管理單元、一個(gè)配置和安全管理單元以及可實(shí)現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特定應用完全定制來(lái)充分滿(mǎn)足目標嵌入式應用的要求。