非對稱嵌入式數據處理模塊設計分析

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摘要：針對車載、機載等嵌入式計算系統對小體積、低功耗、高計算能力等方面的要求，基于多核處理器設計了一款非對稱嵌入式數據處理模塊，該模塊對外通過光纖互聯網絡和其余設備高速連通交互，具有良好的互連通性和互操作性。采用非對稱嵌入式系統架構，模塊內各處理器內核可根據不同的任務等級或安全等級，部署不同的的任務，為整體提供公共計算能力同時時兼顧容錯特性，有助于上層管理系統動態規劃分配任務，提升系統性能。模塊可適配嵌入式實時操作系統，具備良好的計算能力和實時性。

關鍵詞：多核處理器；非對稱嵌入式系統；光纖互聯網絡

1概述

隨著半導體技術的發展，嵌入式電子系統逐步向著更高集成度不斷提升。以航空機載電子系統為例，在新型的綜合核心處理平臺上，既要保證具備足夠高的任務/數據可靠性，又要使計算節點/單元具有更高計算的性能、更低的功耗、占用更小的體積，因此多核處理器在機載計算等方面中得到廣泛的應用[1]。多核處理器通常在處理器芯片上集成兩個或兩個以上的內核，作為提升處理器性能的主要方式之一，相比通過提升內核主頻來提升處理器性能的方式，可有效地降低處理功耗，同時還可規避處理器的主頻提升帶來的技術瓶頸等問題[2]。相比單核處理架構，多核處理器架構功耗更低，通信延遲更低。多核處理器以自身的優點在并行處理和高性能計算等方面得到了廣泛的應用。在嵌入式系統方面，根據多核處理器上各個核心是否運行相同的任務，嵌入式系統可以分為兩大類：（1）非對稱結構，（2）對稱結構。對稱結構通常指在多核處理器的不同內核心上運行或部署相同或類似的任務，不同核心對于頂層應用程序或子任務來說可近似認為對等。非對稱結構通常指多核處理器的不同內核心上運行或部署不同的任務，各核之間的使用可根據應用程序完成不同的任務，具有一定的獨立性[3]。在非對稱嵌入式系統每個核心可以運行自己的特殊任務，對上層管理系統而言，可近似認為不同核心分別為不同的計算資源，上層管理系統可根據系統的狀態和系統實時的計算任務對不同核心資源進行動態分配，特別是在系統需要對不同安全等級或優先等級的任務進行動態分配時，非對稱嵌入式系統具有無可比擬的優勢。采用常見的多核處理器設計了一款非對稱嵌入式數據處理模塊，該模塊對外通過光纖互聯網絡和其余設備高速連通交互，具有良好的互連通性和互操作性。模塊可適配嵌入式實時操作系統，具備良好的計算能力和實時性。在此對該模塊設計從需求和軟硬架構方面進行闡述。

2需求分析

隨著車載、機載等嵌入式計算系統的任務復雜程度的增加，對嵌入式電子設備提出更高的要求。數據處理模塊作為重要的計算資源，要求具備更多、更快的數據處理和任務處理能力，要求在相同體積及功耗下具備更高計算能力、更強的通信性能，且系統需具備足夠的靈活性，可以快速維修更換和系統擴展。從系統角度考慮，數據處理模塊需支持高速互聯總線，可接入整個機載或車載計算環境系統中，并為系統提供足夠的算例。在適配操作系統方面，和整個系統需保持一致，便于進行上層應用程序，并為應用程序擴展和移植打下良好的基礎。數據處理模塊硬件搭載與之配套軟件，可以完成系統要求的任務，為整個系統提供良好的計算資源及系統服務，可使上層應用安全穩定地運行。充分考慮到整個系統資源共享及健康管理，要求數據處理模塊具備通用性，計算能力提供給整個系統實現資源共享，處理器內部不同核之間具有一定的容錯特性。

3硬件設計

3.1硬件架構

模塊硬件上主要包含多核處理模塊電路、電源模塊、FC子卡模塊等，模塊硬件架構如圖1所示。整機采用標準化結構設計，整機結構安裝便捷，可滿足快速外場更換的需求。數據處理模塊整體以多核處理模塊電路為基本電路，電源模塊和多核處理模塊之間通過柔板高速連接器互聯，FC子卡通過特定高速連接器和基本進行互聯。其中FC子卡采用標準子卡，保持和系統中其余互聯產品的一致性，可大大提升系統的開發效率，提升經濟性。模塊整體對對接口包括光信號接口、RS232接口、以太網接口和離散量接口。模塊對外接口可根據系統要求進行定制，可在不改變主要電路的同時，最大程度滿足不同系統對計算資源的需求。

3.2多核處理器電路設計

以freescale公司的P5020處理器為例，對多核處理器電路進行設計。P5020處理器采用PowerPC架構，基于PowerArchitectureR技術，其具有處理器性能高、集成度高的特點。P5020處理器集成了兩個高性能e5500處理器核，頻率范圍可擴張到2.2GHz，具有三級緩存：32KB數據/指令L1，每內核512KB專用L2和2MB共享L3。P5020處理器主要接口支持如下[4]：（1）支持串行RapidIOR。（2）支持PCIExpressR（PCIe）修訂版1.1/2.0，多達4個PCIe2.0/3.0控制器。（3）支持SATA。（4）以太網接口：10Gbps以太網MAC，5個1Gbps以太網MAC。（5）兩個I2C控制器。（6）支持GPIO、eSPI。（7）兩個DUART。多核處理器電路硬件采用最小系統設計，模塊電路示意框圖如圖2所示，多核處理器周圍設計了看門狗電路、離散量電路、調試接口電路、復位電路、測溫電路以及局部資源（DDR3、FLASH、NVRAM）等電路?？撮T狗電路、離散量電路、調試接口電路、復位電路、測溫電路考慮到成本和開發進度方面，采用目前成熟的設計電路，最大程度集成之前成熟產品的成果，器件選型盡量和成熟電路保持一致。

3.3電源模塊

電源模塊在功能上：具有電壓轉換、輸出過流、短路及過壓保護功能，在功能電路部件組成上主要包括：電壓轉換電路、抗過壓浪涌、升壓電路、濾波電路儲能電路等。在電源模塊的輸入端設計濾波器電路，采用電容濾波設計共模濾波，使用LC濾波的方式設計差模濾波電路。在整機設計布局時，電源模塊和多核處理器電路之間要有足夠的距離，可滿足多核處理器電路上散熱器件的自然散熱要求。

3.4互聯網絡

光纖通道（FC）網絡是一種具有較高通信速率、適合于千兆位數據傳輸通信的網絡技術，該標準由AN-SI標準化組織在1994年制定，經大量的理論研究和工程實踐FC網絡傳輸速率在航空電子系統中可達到16Gbps[5]?？紤]到光纖通道（FC）的高帶寬、可靠的流量控制、多種拓撲結構和上層協議的特點，其能夠滿足航空電子系統的通信要求[6]，選用光纖通道（FC）作為互聯網絡。多核處理器電路通過高速串行接口PCI-E同FC光纖通道節點卡進行互聯，模塊配置兩塊標準FC光纖通道節點卡。FC光纖通道節點卡采用FC-AE-ASM協議標準的專用SoC芯片，與處理器配合可完成FC設備管理、通信管理、時鐘同步、網絡管理等功能；該芯片提供片外存儲器接口、串口、GPIO接口以及JTAG等調試接口[7]，可大大減小系統功耗及體積，提高系統集成度。FC光纖通道節點卡硬件設計示意圖如圖3所示。節點卡上包括電壓轉換電路、接口電路、復位電路等。FC光纖通道節點卡軟件主要包括通信管理程序、設備管理程序、接口程序和板級驅動程序等。節點卡通過配置各個通信通道的緩沖區相對獨立，保證不同通道間數據互不干擾，有效提升數據收發效率和準確性。

4軟件設計

軟件設計部分主要包括嵌入式操作系統和中間件系統。在多核處理器選擇合適的嵌入式操作系統，并進行適配優化，可以有效提升多核處理器的資源利用率，充分發揮多核的優勢。采用具有成熟開發團隊的國產多核嵌入式操作系統。通常來說在操作系統在多核處理器上的部署主要有以下幾種方式：（1）限定多處理（BMP）；（2）非對稱多處理（AMP）；（3）對稱多處理（SMP）[1]。非對稱多處理的主要特點是在多核處理器的每個核都運行一個獨立的操作系統，相對應的在操作系統上部署運行特定的應用，能充分發揮每個核的算力。同時在某一核發生故障時，另外一核可繼續執行任務，可使該數據處理模塊具有一定的魯棒性。在此設計的數據處理模塊適配的嵌入式操作系統采用AMP模式，該模式下應用或子任務被可分配到特定核上運行。考慮到嵌入式計算系統向著公共計算資源的方向發展，在該模式下上層管理系統可對不同內核獨立操作，可近似認為不同內核之間互不相干。上層管理系統可根據系統的狀態和系統實時的計算任務對不同核心資源進行動態分配，特別是在系統需要對不同安全等級或優先等級的任務進行動態分配時，具備一定的容錯特性。在軟件架構設計上，從頂層到底層依次為：任務感知層、任務分配層、硬件資源感知層和平臺軟件層。任務感知層主要負責確定系統任務，并根據一定的策略將任務分解為具體的子任務。任務分配層：根據系統中不同內核上的實時算力和資源情況，及子任務實時優先級情況，在滿足系統要求的情況下對子任務的進行分配。硬件資源感知層：主要來探測系統軟硬件的實時狀態，為子任務分配提供依據。

5結語

基于多核處理器設計了一款非對稱嵌入式數據處理模塊，該模塊可適配嵌入式實時操作系統，具備良好的計算能力和實時性。模塊通過光纖互聯網絡可以和其余系統設備高速聯通交互，具有良好的互連通性和互操作性，模塊內各處理器內核上可根據不同的任務等級或安全等級，部署不同的任務，在為整體提供強大公共計算資源時可兼顧容錯特性，系統可根據處理器狀態的實時動態規劃分配任務，提升系統性能。

作者：韓毅博 湛文韜 胡寶雷 單位：航空工業西安航空計算技術研究所