混合關(guān)鍵系統助力工業(yè)智能系統蓬勃發(fā)展

嵌入式人工智能快速發(fā)展，對于高性能計算需求越來(lái)越大。為了應對日益復雜和不確定的外部環(huán)境，國產(chǎn)嵌入式智能系統更離不開(kāi)兼顧強實(shí)時(shí)和高算力的異構多核國產(chǎn)智能芯片和國產(chǎn)基礎軟件。工業(yè)智能系統對基于智能芯片上的混合關(guān)鍵系統的需求尤為強勁。

混合關(guān)鍵性系統是嵌入式系統未來(lái)技術(shù)演進(jìn)的重要方向之一，目前在自主駕駛、服務(wù)機器人、汽車(chē)電子等領(lǐng)域已經(jīng)看到一些典型應用，在工業(yè)和國防等領(lǐng)域呈現出積極發(fā)展態(tài)勢。

為此，北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院、北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院、北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng )新研究院、中國電子技術(shù)標準化研究院物聯(lián)網(wǎng)研究中心、嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )、《單片機與嵌入式系統應用》雜志社，舉辦了“第五屆國產(chǎn)嵌入式操作系統技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )主題討論會(huì )(總第29次)”。 本屆論壇聚焦“面向異構多核智能芯片的混合關(guān)鍵系統研究與應用” 這一會(huì )議主題。主辦方邀請到來(lái)自華東師大、湖南大學(xué)、中山大學(xué)、復旦大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等高校的學(xué)者，以及來(lái)自嘉楠科技、賽昉科技、華為和睿賽德電子等知名企業(yè)專(zhuān)家參與論壇主題演講和嘉賓討論，研討異構多核智能芯片和混合關(guān)鍵系統等熱點(diǎn)議題。本次論壇由北航軟件學(xué)院院長(cháng)胡春明致開(kāi)幕詞，上午會(huì )議由嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )秘書(shū)長(cháng)何小慶主持，下午會(huì )議由北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院牛建偉教授主持。

論壇上午主題：嵌入式異構多核智能芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展

嘉楠K230異構多核AIOT芯片架構探索和應用

嘉楠科技軟件部架構設計經(jīng)理 胡鍇

嘉楠科技是一家深耕AI邊緣側應用的公司，胡鍇在報告中重點(diǎn)介紹了2023年公司新推出的一顆AI芯片K230，其應用場(chǎng)景主要有門(mén)鎖、貓眼、詞典筆、IPC等。胡鍇表示，在芯片開(kāi)發(fā)之前，公司對這些應用場(chǎng)景的特性就已經(jīng)做過(guò)分析，并將這些共性-小核系統負責Linux生態(tài)，運行網(wǎng)絡(luò )/存儲/GUI和其他控制類(lèi)業(yè)務(wù)；大核系統負責快速啟動(dòng)，運行多媒體（音視頻及AI類(lèi)）業(yè)務(wù)；低功耗系統負責待機低功耗，監控喚醒源，以及控制normal域電源融入芯片的開(kāi)發(fā)理念，因此K230內集成了分工明確的雙核CPU，并且外圍設置了高速、低速和安全接口。

胡鍇詳細介紹了K230硬件各個(gè)部分的具體功能和軟件架構，以及大小核之間是如何進(jìn)行通信的，并且還詳細介紹了處理大小核之間棘手的互斥問(wèn)題的解決方案。

高性能RISC-V多核計算平臺

上海賽昉科技資深銷(xiāo)售總監 周杰

賽昉科技主要從事高性能應用場(chǎng)景下的RISC-V IP和芯片研發(fā)，以及和底層軟件解決方案，可以提供支持多核的一致性NOC總線(xiàn)的整體解決方案，并實(shí)現在自研芯片中，為RISC-V芯片進(jìn)入高性能場(chǎng)景提供全國產(chǎn)化的硬件核心技術(shù)。

周杰介紹，RISC-V機構相較于其他內核架構，具有商業(yè)上的自由和技術(shù)上的自由，因此采用其架構的廠(chǎng)商具有了創(chuàng )新的自由，而且適用于所有的計算系統。目前，大部分應用在物聯(lián)網(wǎng)落地（嵌入式場(chǎng)景全球出貨累計100億顆），并且已經(jīng)開(kāi)始向高性能、多核或眾核的計算領(lǐng)域滲透（預測2025年突破800億顆）。賽昉科技成立5年，共推出了4個(gè)系列全自研產(chǎn)品—昉﹒天樞（RISC-V CPU IP）、昉﹒星鏈（Interconnect IP）、昉﹒驚鴻7110（芯片）和昉﹒星光2（單板計算機），周杰詳細介紹了這些產(chǎn)品的特點(diǎn)和應用。周杰尤其跟大家分享了賽昉推出的在RISC-V領(lǐng)域的第一個(gè)真正意義上的大小核異構IP子系統平臺，其最多可支持8個(gè)核的CPU系統，并且除了支持CPU的一致性，還可以支持I/O的一致性，此平臺將會(huì )在驚鴻8100上做驗證。

面向混合關(guān)鍵部署的嵌入式RTOS虛擬化技術(shù)

湖南大學(xué)教授、嵌入式與網(wǎng)絡(luò )計算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室主任 謝國琪

隨著(zhù)嵌入式設備性能的提升，當前復雜嵌入式開(kāi)發(fā)存在富功能（數據可視化、場(chǎng)景可視化）與硬實(shí)時(shí)（精準控制）的雙重需求，而基于操作系統虛擬化技術(shù)的混合關(guān)鍵部署是實(shí)現上述雙重需求的方案之一。謝老師詳細介紹了Zephyr RTOS，這是一款Linux基金會(huì )下的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統，支持超過(guò)13種硬件架構，是一個(gè)產(chǎn)品級應用，發(fā)布了40個(gè)release版本，具有良好的實(shí)時(shí)性和安全性，支持多種嵌入式場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。謝老師認為Zephyr既可以是一個(gè)宏內核，也可以是一個(gè)微內核，這取決于客戶(hù)在應用中的配置。

謝老師所在團隊主要在以下幾方面做了工作：Zephyr適配RK3568、Paddle Lite2.6適配Zephyr3.4、嵌入式實(shí)時(shí)虛擬機ZVM（Zephyr-based Virtual Machine）開(kāi)發(fā)。ZVM是由湖南大學(xué)嵌入式計算省重點(diǎn)實(shí)驗室設計并開(kāi)發(fā)的虛擬化軟件，該軟件基于實(shí)時(shí)操作系統Zephyr開(kāi)發(fā)，可同時(shí)啟動(dòng)Linux與Zephyr這2個(gè)Guest OS，從而在同一硬件平臺上實(shí)現混合內核部署。謝老師還詳細介紹了基于A(yíng)RM64與Zephyr RTOS的ZVM關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現與開(kāi)發(fā)規劃。

智能嵌入式系統軟硬件優(yōu)化配置方法

華東師范大學(xué)軟件工程學(xué)院教授 陳儀香

智能嵌入式系統是將人工智能技術(shù)融入到嵌入式系統中，實(shí)現諸如識別、判斷、推理、決策等智能功能。陳老師介紹，智能嵌入式系統除完成其功能外還需要實(shí)現其性能，如時(shí)間性能，規定必須完成其功能的時(shí)間是3 s還是3 ms。另外，嵌入式系統是將嵌入式軟件復制到特定的芯片上運行，但芯片有面積大小等限制，而實(shí)現智能的軟件本身又非常復雜甚至龐大。因而在特定芯片上實(shí)現智能功能和性能需要進(jìn)行軟硬件優(yōu)化配置，分配和調度哪些任務(wù)由軟件實(shí)現（即CPU實(shí)現），哪些任務(wù)由硬件實(shí)現（即IP核和FPGA上實(shí)現），通常情況下，軟件實(shí)現慢但成本低，而硬件實(shí)現快但成本高，如何在一定約束條件下（如時(shí)間約束、硬件面積約束、產(chǎn)品成本約束）科學(xué)地配置軟硬件資源實(shí)現智能嵌入式系統的性能優(yōu)化，這是一個(gè)值得研究和實(shí)踐的問(wèn)題。

陳老師分享了團隊十年來(lái)的一些研究成果，首先引進(jìn)硬件實(shí)現（時(shí)間）增益概念，在此基礎上分別設計了基于遺傳算法的智能嵌入式系統多核調度算法；同時(shí)，以基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的交通標識識別系統為例，介紹了在Xilinx公司開(kāi)發(fā)的ZYNQ-7020可擴展處理器芯片上實(shí)現該交通標識識別系統。

智能工業(yè)機器人操作系統及應用探索

北航長(cháng)聘教授、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃首席專(zhuān)家 牛建偉

國外工業(yè)機器人操作系統相對成熟，在穩定性、實(shí)時(shí)性和控制精度方面處于領(lǐng)先地位，但存在各自為政、互不兼容的局面。近幾年，國內工業(yè)機器人發(fā)展迅猛，但依然面臨諸多挑戰。牛老師首先從機器人操作系統發(fā)展及背景介紹了研發(fā)一套自主可控、實(shí)時(shí)性強的智能機器人操作系統對于我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。

接下來(lái)，牛老師詳細分析了機器人為什么需要異構多核智能系統，原因有三點(diǎn)：提升基礎算力，構建復雜應用；解決“智能”與“實(shí)時(shí)”的沖突問(wèn)題；實(shí)現高集成度。異構多核智能系統發(fā)展中同時(shí)面臨以下挑戰：操作系統體系架構升級、穩定可靠的國產(chǎn)智能芯片、多核調度實(shí)時(shí)性保障技術(shù)、機器人智能算法庫、深度學(xué)習編譯框架、操作系統內生安全技術(shù)。然后，牛老師介紹了其團隊在機器人智能操作系統的構建和應用方面所做的工作。最后，對下一代機器人操作系統進(jìn)行了展望，要具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高安全性、開(kāi)放性、智能化、跨平臺、組件化。牛教授認為，既輕量化又智能化是機器人未來(lái)的發(fā)展方向。

論壇下午主題：混合關(guān)鍵系統的操作系統技術(shù)與應用

面向自動(dòng)駕駛的安全關(guān)鍵系統資源管理與調度技術(shù)研究

中山大學(xué)教授、人工智能與無(wú)人系統研究所所長(cháng) 黃凱

自動(dòng)駕駛的實(shí)現要求在有限的車(chē)載計算資源上部署復雜的傳感器數據處理和駕駛決策，并滿(mǎn)足駕駛系統的可靠性和穩定性。黃老師團隊重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的系統資源設計、管理與調度問(wèn)題。

黃老師認為自動(dòng)駕駛面臨兩方面挑戰：一是可靠性問(wèn)題，安全對于汽車(chē)應用，是首先要考慮的因素，如果安全事故常有發(fā)生，那么圍繞自動(dòng)駕駛系統的訴訟和糾紛難以徹底理清；二是成本問(wèn)題，高性能自動(dòng)駕駛需要車(chē)載大量高精度傳感器和配套的實(shí)時(shí)計算系統，但是車(chē)廠(chǎng)其實(shí)對成本非常敏感，這也為自動(dòng)駕駛產(chǎn)品的商業(yè)化和大眾化設置了非常高的經(jīng)濟門(mén)檻。

報告中，黃老師從以下3個(gè)方面進(jìn)行了討論：首先，探討如何優(yōu)化關(guān)鍵系統的冗余設計以提高系統的穩定性和魯棒性；其次，探索如何優(yōu)化計算資源的在線(xiàn)調度以緩解復雜場(chǎng)景中的系統服務(wù)退化并提高資源使用效率；最后，對安全關(guān)鍵系統在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應用進(jìn)行了展望。

RT-Thread 在工業(yè)領(lǐng)域的混合部署實(shí)踐

睿賽德科技聯(lián)合創(chuàng )始人 邱祎

睿賽德是RT-Thread開(kāi)源操作系統的貢獻者和維護者，公司產(chǎn)品目前有兩個(gè)方向：開(kāi)源RT-Thread操作系統和針對安全關(guān)鍵領(lǐng)域的RT-Thread高安全實(shí)時(shí)操作系統專(zhuān)業(yè)版。邱祎介紹，RT-Thread是可以運行在低端MCU、中高端MCU、MPU、高性能MPU/SoC、眾核異構SoC上的全棧計算平臺，生態(tài)完善、適配范圍廣。

接下來(lái)，邱祎詳細介紹了基于 RT-Thread 的混合部署方案，包括RT-Thread Fusion和vmRT-Thread Hyperviser。RT-Thread Fusion是基于OpenAMP的多OS混合部署方案，適用于多核異構處理器和多核同構處理器。邱祎認為，同時(shí)具備ARM核和RISC-V核的芯片正在逐步出現，因此OpenAMP是搭建起異構系統間軟通信的一座橋梁，會(huì )讓Cortex-A+Cortex-M/R或RISC-V處理器在使用上更便利，甚至感受不到異構的存在，可以在多系統間融合。vmRT-Thread Hyperviser是一個(gè)不同安全等級、實(shí)時(shí)性要求及用戶(hù)體驗與運算能力的集成平臺，可以用于存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò )虛擬化、安全顯示、圖形虛擬化和虛擬機間通信， 適合于智能座艙、智能駕駛、智能網(wǎng)關(guān)等應用場(chǎng)景。邱祎表示兩種方案都可以實(shí)現 RT-Thread+Linux在同一顆SoC芯片上的混合部署運行。

操作系統內生安全技術(shù)與應用

復旦大學(xué)大數據研究院高級工程師 蔣金虎

隨著(zhù)智能嵌入式設備日益廣泛應用和聯(lián)網(wǎng)互通，安全問(wèn)題愈發(fā)凸顯，尤其是系統安全。蔣老師認為，操作系統的內生安全是必不可少的一環(huán)。報告中，蔣老師詳細介紹了內生安全的多內核操作系統設計，其通過(guò)構造內核級動(dòng)態(tài)異構冗余實(shí)現擬態(tài)安全，能有效抵御功能故障和網(wǎng)絡(luò )攻擊。此架構可同時(shí)運行多個(gè)內核，內核可具備同構或異構屬性，內核間通過(guò)共識機制協(xié)同工作，因此具有冗余性、異構性和動(dòng)態(tài)性，蔣老師對這3種特性進(jìn)行了詳細講解。

為了讓聽(tīng)眾知其然且知其所以然，蔣老師還從功能安全和網(wǎng)絡(luò )安全原理及機制兩方面詳細介紹了多內核操作系統內生安全原理。最后以星載系統為例，介紹了內生安全的多內核操作系統的具體應用。

實(shí)時(shí)內核UniProton及其混合關(guān)鍵性部署的實(shí)踐

華為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域專(zhuān)家 余德釗

余德釗從運動(dòng)控制系統和全球嵌入式OS實(shí)際情況出發(fā)，介紹了華為開(kāi)發(fā)openEuler Embedded的背景：2019年發(fā)布第一個(gè)版本，經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，目前已經(jīng)成為一個(gè)面向全場(chǎng)景的開(kāi)源社區，在云計算、服務(wù)器和嵌入式領(lǐng)域都有應用。openEuler Embedded是將openEuler與嵌入式應用場(chǎng)景融合的一個(gè)以L(fǎng)inux為中心的綜合嵌入式系統軟件平臺，其適用于任何需要Linux的嵌入式系統。余德釗介紹的UniProton是一款硬實(shí)時(shí)操作系統，具備極致的us級低時(shí)延和靈活的混合關(guān)鍵性部署特性，可以高效地與以openEuler Embedded為代表的通用OS混合部署，適用于工業(yè)控制場(chǎng)景，既能支持微控制器MCU，也支持算力強的多核CPU。

余德釗表示，多OS混合部署要解決如下幾個(gè)問(wèn)題：多OS統一構建、高效的基礎通信機制、提供服務(wù)化部署。華為針對這些問(wèn)題也做了很多工作，現在openEuler Embedded 能夠接納不同的RTOS，更好地幫助基礎設施進(jìn)行改造。

基于新型編程語(yǔ)言設計實(shí)現操作系統內核

清華大學(xué)計算機系長(cháng)聘副教授 陳渝

陳老師指出操作系統是具有戰略意義的關(guān)鍵信息系統的核心基礎設施，陳老師研究操作系統多年，技術(shù)上側重于操作系統的安全性，應用領(lǐng)域聚焦于汽車(chē)應用。作為CSAE-CCF-CICV車(chē)用操作系統與泛在操作系統聯(lián)合實(shí)驗室首席科學(xué)家的陳渝認為，目前操作系統大部分是采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，但是這么多年過(guò)去，C語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)操作系統應用中的弊端正逐漸顯現，很多典型漏洞都是因為C語(yǔ)言，因此不斷有新的編程語(yǔ)言嘗試重構操作系統，比如Ocaml、C#、Go、Rust等，而安全是新一代編程語(yǔ)言試圖代替C語(yǔ)言的重要因素。

近幾年，陳老師一直致力于研究Rust語(yǔ)言，提出了基于Rust的可擴展操作系統安全架構，與現有的OS相比，能夠提供更多層次的安全保障能力，為構建自主可控IT生態(tài)奠定OS基礎。這個(gè)操作系統在設計時(shí)，細化了內核模塊屬性，形成單向依賴(lài)、獨立存在的內核模塊，因此具有以下特點(diǎn)：與OS無(wú)關(guān)的語(yǔ)言級核心庫、獨立OS的組件庫、耦合OS的組件庫、掛接組件的內核主干、獨立OS的組件庫無(wú)緊耦合依賴(lài)關(guān)系、基于配置和靜態(tài)分析進(jìn)行架構優(yōu)化。最后，陳老師進(jìn)一步分析了如何用Rust編程語(yǔ)言設計可靈活組合的組件化操作系統內核，并對研究計劃和產(chǎn)業(yè)落地情況做了介紹。

討論環(huán)節：思想碰撞，精彩紛呈

在討論環(huán)節,主辦方邀請到北航軟件學(xué)院院長(cháng)胡春明、華元創(chuàng )信高端裝備系統部長(cháng)黃河、科東軟件研發(fā)副總經(jīng)理殷燦菊、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所副研究員張華良，嘉賓針對混合關(guān)鍵系統的工業(yè)應用以及參會(huì )者關(guān)心的研發(fā)混合關(guān)鍵系統的主要瓶頸和應用前景等問(wèn)題進(jìn)行了熱烈的探討，為國產(chǎn)嵌入式操作系統的發(fā)展獻計獻策。

華元創(chuàng )信、嵌入式與網(wǎng)絡(luò )計算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室（湖南大學(xué)）、麥克泰技術(shù)、嘉楠科技和北航杭州創(chuàng )新研究院等單位在會(huì )場(chǎng)展示他們的技術(shù)成果和產(chǎn)品，《單片機與嵌入式系統應用》雜志社、北航出版社、睿賽德科技、科東軟件以及陳儀香和何小慶老師在會(huì )場(chǎng)展示了他們最新的圖書(shū)、雜志和產(chǎn)品資料，供聽(tīng)眾近距離交流。

嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )是為嵌入式系統不同學(xué)科領(lǐng)域專(zhuān)家、學(xué)者、工程技術(shù)和媒體人士提供技術(shù)與產(chǎn)業(yè)信息交流 的科技沙龍性質(zhì)的機構。嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )定期組織學(xué)術(shù)交流、技術(shù)研討和產(chǎn)業(yè)趨勢等線(xiàn)下和線(xiàn)上會(huì )議,并積極參與行業(yè)科技交流活動(dòng)。