關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變過(guò)程

從低功耗實(shí)時(shí)監(jiān)視到具有用于人機(jī)界面 (HMI) 的多屏圖形顯示的高級(jí)多媒體應(yīng)用，汽車、工業(yè)、機(jī)器人、樓宇控制和其他關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)期需要承擔(dān)更加多樣化的工作負(fù)載。在滿足這些廣泛的功能要求的同時(shí)，它們還必須能夠支持嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，降低成本，減少占用空間以及優(yōu)化功耗/性能平衡。

迄今為止，為滿足這些有時(shí)往往相互沖突的要求，開(kāi)發(fā)人員不得不犧牲功能，或增加必要的設(shè)備來(lái)支持特定的圖形、安全性和安全等要求，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性增加。開(kāi)發(fā)人員真正需要的是一種單一的解決方案，能夠跨眾多關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用支持各式各樣滿足上述要求的產(chǎn)品。

本文將簡(jiǎn)單介紹關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變過(guò)程。然后展示如何使用 NXP Semiconductors 專門設(shè)計(jì)的多核應(yīng)用處理器來(lái)應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)，這些處理器可以支持快速擴(kuò)展的需求列表，包括眾多功能性和安全認(rèn)證能力。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變過(guò)程注意事項(xiàng)

嵌入式設(shè)備在支持一組有限的系統(tǒng)功能方面的傳統(tǒng)角色，在很大程度上已經(jīng)被可提供廣泛功能的設(shè)備的需求所取代。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，智能工具和設(shè)備對(duì)于增強(qiáng)型 HMI 功能的需求要求處理器能夠在滿足更多傳統(tǒng)工業(yè)實(shí)時(shí)要求的同時(shí)，提供優(yōu)化的圖形。同樣，汽車應(yīng)用向包含功能域集群和網(wǎng)關(guān)的分層架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)，推動(dòng)了能夠完全滿足這些要求的處理器的需求（圖 1）。

在每個(gè)功能域中，對(duì)于更復(fù)雜功能的需求不斷提升性能和集成功能的門檻。例如，平視顯示器的出現(xiàn)需要能夠確保向駕駛員持續(xù)提供關(guān)鍵圖形信息的解決方案。除了這些新一代的顯示器之外，增強(qiáng)駕駛員感知能力的需求與日俱增，也對(duì)攝像頭接口以及高性能地執(zhí)行能夠提供睡意檢測(cè)功能的高級(jí)識(shí)別軟件提出了更多的要求。

隨著應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展，為滿足日益多樣化的要求，同時(shí)最大限度減少設(shè)計(jì)的占用空間并降低成本和復(fù)雜性，對(duì)于高度集成的可擴(kuò)展解決方案的需求也變得更加迫切。利用 NXP 的 i.MX 8 系列應(yīng)用處理器，開(kāi)發(fā)人員可以將兼容的處理器平臺(tái)與一系列必要的功能和性能相結(jié)合，來(lái)支持各種各樣的應(yīng)用需求。在 NXP 的 i.MX 8 家族中，i.MX 8X 系列滿足了中端汽車和工業(yè)應(yīng)用所需的安全認(rèn)證處理器的新興需求。

多核架構(gòu)管理多樣化的工作負(fù)載

開(kāi)發(fā)人員在實(shí)現(xiàn)用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備時(shí)所面臨的一大難題是過(guò)寬的需求廣度。在開(kāi)發(fā)人員預(yù)期處理實(shí)時(shí)或高級(jí)應(yīng)用處理工作負(fù)載的情況下，對(duì)智能子系統(tǒng)的需求卻將這些截然不同的計(jì)算類型合并到一起。開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越需要能夠在支持功能安全要求的同時(shí)提供可靠的實(shí)時(shí)響應(yīng)和高性能應(yīng)用執(zhí)行的解決方案。

NXP i.MX 8X 系列處理器可提供實(shí)時(shí)功能、高性能處理，而且功耗很低，可充分利用復(fù)雜的多核中央處理器 (CPU) 架構(gòu)來(lái)管理多樣化的計(jì)算工作負(fù)載（圖 2）。

對(duì)于通用型實(shí)時(shí)處理任務(wù)，i.MX 8X 器件包括一個(gè)帶浮點(diǎn)單元 (FPU)、內(nèi)存保護(hù)單元 (MPU)、內(nèi)存映射加密加速單元 (MMCAU) 和混合控制模塊 (MCM) 的 Arm Cortex-M4 (CM4) 處理器。為了支持傳感器和致動(dòng)器等外部外設(shè)，此用戶 CM4 復(fù)合體將嵌套向量中斷控制器 (NVIC) 與一套全面的接口和模塊相結(jié)合，包括低功耗周期性中斷定時(shí)器 (LPIT)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 以及在汽車和工業(yè)應(yīng)用中通常需要的其他功能。一對(duì)高速緩存存儲(chǔ)器和具有糾錯(cuò)碼 (ECC) 功能的緊耦合存儲(chǔ)器 (TCM)，有助于最大限度減少對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，加快執(zhí)行速度和處理存儲(chǔ)器錯(cuò)誤。

為了快速執(zhí)行應(yīng)用工作負(fù)載，該 CPU 平臺(tái)由多個(gè)高能效的 Arm Cortex-A35 應(yīng)用處理器 (AP) 構(gòu)成，其中兩個(gè) AP 在 8DualXPlus 處理器（例如 MIMX8UX6AVLFZAC）中，四個(gè) AP 在 8QuadXPlus 處理器（例如 MIMX8QX6AVLFZAC）中。除了專用指令 (I$) 和數(shù)據(jù) (D$) 高速緩存外，該 CPU 平臺(tái)還包括帶有 ECC 的 512 KB 2 級(jí) (L2) 共享高速緩存。

該架構(gòu)的 Arm Cortex-A35 內(nèi)核可提供軟件兼容性和性能可擴(kuò)展性，從而支持 32 位向后兼容性和 64 位性能。為了進(jìn)一步加快計(jì)算密集型算法（如信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)）的執(zhí)行速度，Arm Cortex-A35 處理器提供了矢量浮點(diǎn) (VFP) 處理和 Arm 的 Neon 單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 架構(gòu)擴(kuò)展。為了加快用于圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件的執(zhí)行速度，Arm 計(jì)算庫(kù)提供了經(jīng)優(yōu)化適用于 Arm 處理器和圖形處理單元 (GPU) 架構(gòu)的函數(shù)，而開(kāi)源代碼 Ne10 C 庫(kù)則提供了經(jīng) Arm 優(yōu)化適用于計(jì)算密集型操作的函數(shù)。

專用引擎分擔(dān)主 CPU 的負(fù)荷

除了用戶 CM4 復(fù)合體和 Arm Cortex-A35 多核 CPU 平臺(tái)之外，該架構(gòu)還提供了專門用于多媒體應(yīng)用的額外引擎。除了用于音頻和語(yǔ)音編解碼器處理的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 之外，該架構(gòu)還集成了 GPU 和視頻處理單元 (VPU)。該器件的 GPU 支持標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)，使用具有 16 個(gè)執(zhí)行單元的四個(gè)獨(dú)立的四分量浮點(diǎn)矢量 (VPU) 和高性能二維位傳輸引擎來(lái)加速操作。VPU 用于處理常見(jiàn)的視頻格式，加速解碼高達(dá) 4Kp30（逐行、30 Hz）的視頻和編碼高達(dá) 1080p30 的視頻。反過(guò)來(lái)，該芯片的專用顯示控制器模塊可以將圖形輸出驅(qū)動(dòng)至多達(dá)三個(gè)獨(dú)立的顯示器。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)最大化性能，i.MX 8X 架構(gòu)還集成了更多處理器內(nèi)核，這些內(nèi)核旨在將主 CPU 平臺(tái)從通常在執(zhí)行系統(tǒng)管理和安全性服務(wù)時(shí)發(fā)生的其他處理負(fù)載中解放出來(lái)。針對(duì)系統(tǒng)管理，該架構(gòu)的系統(tǒng)控制單元 (SCU) 集成了一個(gè)與用戶 CM4 復(fù)合體匹配的 CM4 復(fù)合體，但將其保留完全專用于 SCU 操作，而且不供開(kāi)發(fā)人員使用（圖 3）。

除了管理電源、時(shí)鐘和其他內(nèi)部功能外，該 SCU 還控制正常操作中的引腳多路復(fù)用和輸入/輸出 (I/O) 通道驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)際上，用戶 CM4 復(fù)合體和 Arm Cortex-A35 AP 都不能直接訪問(wèn)這些不同的底層硬件功能。相反，該 SCU 起到了抽象這些功能的作用，因此在用戶 CM4 或 AP 上運(yùn)行的軟件只需調(diào)用 SCU 固件應(yīng)用編程接口 (API) 函數(shù)，便可執(zhí)行諸如關(guān)閉不需要的功率域這類功能。例如，如果該功率域正在與另一個(gè)處理器共享，則該 SCU 僅確認(rèn)斷電請(qǐng)求，但仍將該域保持通電，直到前述另一個(gè)處理器也發(fā)出了斷電請(qǐng)求。

為了管理 i.MX 8X 器件廣泛的安全性支持，另一個(gè)專用處理器將在器件的安全性控制器 (SECO) 子系統(tǒng)中發(fā)揮作用。在 SECO 子系統(tǒng)內(nèi)，一個(gè)集成的低功耗 Arm Cortex-M0+ 處理器用于執(zhí)行固件，以支持基于硬件的安全性功能，包括用于安全密鑰的專用總線訪問(wèn)、用于安全密鑰存儲(chǔ)的一次性可編程 (OTP) 存儲(chǔ)器，以及用于其他私有數(shù)據(jù)或臨時(shí)密鑰的安全非易失性存儲(chǔ) (SNVS)（圖 4）。

除了這些核心安全性機(jī)制之外，SECO 子系統(tǒng)還協(xié)調(diào)安全性操作，實(shí)現(xiàn)通過(guò)其經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的調(diào)試模塊 (ADM) 進(jìn)行仲裁的篡改檢測(cè)和安全調(diào)試。為保證安全執(zhí)行，集成的加密加速和保證模塊 (CAAM) 硬件安全性模塊支持一整套安全性算法，包括對(duì)稱和非對(duì)稱密碼、哈希函數(shù)和一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器 (RNG)。

在正常操作中，包括 SCU、AP 和數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(hù) (DTCP) 加速器在內(nèi)的器件處理單元使用 SECO 安全性互連，通過(guò)系統(tǒng)總線訪問(wèn) CAAM 功能。除了通過(guò) CAAM 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) (DMA) 功能訪問(wèn)外，SECO 的專用 Cortex-M0+ 處理器無(wú)法訪問(wèn)系統(tǒng)總線。相反，它使用受保護(hù)的內(nèi)部連接來(lái)訪問(wèn)外設(shè)、安全隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 和只讀存儲(chǔ)器 (ROM) 及其專用私鑰總線。

除了使用 DTCP 加速器外，此私鑰總線還在 i.MX 8X 處理器的實(shí)時(shí)加密和解密支持方面發(fā)揮核心作用。在這里，安全性處理器使用其資源提供設(shè)備的直插式加密/解密引擎 (IEE) 模塊所需的私鑰，因?yàn)樗馨踩貜募用艽鎯?chǔ)中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，而無(wú)需請(qǐng)求處理器、DMA 控制器或 I/O 設(shè)備的參與。

SECO 子系統(tǒng)基于器件的 Cortex-A35 處理器中集成的 Arm TrustZone 技術(shù)構(gòu)建，也可以在安全啟動(dòng)過(guò)程中與 SCU 一起使用。在此過(guò)程中，SCU 解釋啟動(dòng)設(shè)置、配置啟動(dòng)源，并將引導(dǎo)映像加載到內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器。反過(guò)來(lái)，SECO 子系統(tǒng)使用其加密功能在已簽名的固件映像加載之后、執(zhí)行之前對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證。

保護(hù)關(guān)鍵的顯示和控制功能

盡管高效且安全地處理多樣化工作負(fù)載的能力非常重要，但對(duì)于諸如汽車和工業(yè)領(lǐng)域的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用而言，保護(hù)關(guān)鍵功能的能力同樣至關(guān)重要。NXP 的 i.MX 8X 系列將其處理能力與滿足這些關(guān)鍵要求所需的安全認(rèn)證能力相結(jié)合。

該處理器系列的安全支持內(nèi)置于多個(gè)層次，始于采用可增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性的全耗盡絕緣體上硅片 (FD-SOI) 工藝技術(shù)進(jìn)行制造。由于系統(tǒng)安全依賴于強(qiáng)大的安全性基礎(chǔ)，因此啟用了 TrustZone 的 AP、SECO 子系統(tǒng)和安全啟動(dòng)功能的組合，可以提供必要的受信任環(huán)境，以阻止安全和安全性威脅。

與此同時(shí)，利用用戶 CM4 復(fù)合體獨(dú)立處理時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)以及將關(guān)鍵系統(tǒng)任務(wù)分擔(dān)到 SCU 和 SECO 子系統(tǒng)的功能，都有助于確保不論處理負(fù)載如何變化，任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用功能都能保持可用狀態(tài)。實(shí)際上，NXP 通過(guò)該公司的 SafeAssure 技術(shù)擴(kuò)展了這一概念，以支持任務(wù)關(guān)鍵型顯示，該技術(shù)在 i.MX 8X 器件中集成了一條支持 B 級(jí)汽車安全完整性 (ASIL B) 的硬件顯示故障切換路徑。利用 SafeAssure，如果器件檢測(cè)到數(shù)據(jù)完整性或 GPU 錯(cuò)誤，便會(huì)自動(dòng)為用戶提供故障切換映像。該故障切換映像在后臺(tái)運(yùn)行，可確保即使在主顯示器出現(xiàn)故障期間，關(guān)鍵信息仍舊可用。

在基于 i.MX 8X 的系統(tǒng)中，對(duì)安全應(yīng)用的支持?jǐn)U展到了內(nèi)存訪問(wèn)。在受其支持的存儲(chǔ)器接口中，i.MX 8X 器件為雙倍數(shù)據(jù)速率 3 低壓 (DDR3L) 內(nèi)存提供了 8 位 ECC。除了 L2 高速緩存中的 ECC（請(qǐng)?jiān)俅螀⒁?jiàn)圖 2）之外，此 DDR3L ECC 功能還支持工業(yè)安全完整性級(jí)別 3 (SIL 3)。i.MX 8X 架構(gòu)還將 ECC 支持?jǐn)U展到了外部閃存存儲(chǔ)設(shè)備。在這里，集成的 Bose、Ray-Chaudhuri、Hocquenghem (BCH) 編碼器和解碼器模塊提供了 62 位 ECC，能夠校正從這些存儲(chǔ)設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)塊內(nèi)的 2 到 20 個(gè)單比特錯(cuò)誤。

啟動(dòng)基于 i.MX 8X 的應(yīng)用

與此類別的任何處理器一樣，實(shí)現(xiàn)基于 i.MX 8X 的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)注意嚴(yán)格的電源要求，包括關(guān)鍵的上電序列。為 i.MX 8X 器件通電時(shí)需要依次或同時(shí)為四個(gè)不同的電源組通電，從 SVNS 子系統(tǒng)開(kāi)始，再到 SCU、I/O 和存儲(chǔ)器接口，最后是器件的其余部分。開(kāi)發(fā)人員只需使用 NXP 的 Pf8x00 電源管理集成電路 (PMIC) 器件便可滿足此要求，該器件可提供支持 i.MX 8X 處理器以及外部存儲(chǔ)器和典型系統(tǒng)外設(shè)所需的整套電壓軌和控制信號(hào)（圖 5）。

在實(shí)施他們自己的基于 i.MX 8X 的設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以使用 NXP MC33PF8100CCES PMIC，該 PMIC 經(jīng)過(guò)預(yù)編程，可與 8QuadXPlus 處理器（如 MIMX8QX6AVLFZAC）一起使用。其他 PF8x00變體，如 MC33PF8100A0ES 和 MC33PF8200A0ES，均支持 i.MX 8X 處理器，但未預(yù)編程。

對(duì)于安全應(yīng)用，諸如 MC33PF8200A0ES 這類 PF8200 系列器件集成了旨在支持 ASIL B 系統(tǒng)的功能。除了多個(gè)內(nèi)部監(jiān)視器（包括一個(gè)帶有專用帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓監(jiān)視器），PF8200 PMIC 還包括一個(gè)故障安全輸出 (FSOB) 引腳，用于在上電期間或發(fā)生電源故障事件時(shí)使系統(tǒng)保持安全狀態(tài)。此外，模擬內(nèi)置自檢 (ABIST) 例程將測(cè)試所有電壓監(jiān)視器，而自檢例程將驗(yàn)證其他器件功能。

盡管 PF8x00 PMIC 可以簡(jiǎn)化基于 i.MX 8X 的系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，但某些開(kāi)發(fā)人員可能需要立即開(kāi)始評(píng)估 i.MX 8X 器件并快速制作基于 i.MX 8X 的應(yīng)用原型。NXP 的 MCIMX8QXP-CPU i.MX 8X 多傳感器支持套件 (MEK) 提供了一個(gè)就緒的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其結(jié)合了 NXP i.MX 8QuadXPlus 處理器、NXP F8100 PMIC、3 GB RAM、32 GB 嵌入式多媒體控制器 (eMMC) 內(nèi)存和 64 MB 閃存。除了顯示器、攝像頭和音頻接口外，該 MEK 板還包括一組通常用于汽車或工業(yè)應(yīng)用的傳感器。為了獲得更多的連接、音頻和擴(kuò)展選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)人員還可以添加可選的 NXP MCIMX8-8X-BB 基板。

總結(jié)

對(duì)于汽車、工業(yè)、樓宇控制和 HMI 等越來(lái)越多的應(yīng)用而言，處理工作負(fù)載已擴(kuò)展到既包括傳統(tǒng)的實(shí)時(shí) I/O 處理，也包括新興的具有多媒體圖形的應(yīng)用級(jí)處理。盡管每種工作負(fù)載類型都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，但很少有可用的解決方案能夠滿足以下日益增長(zhǎng)的需求：能夠滿足汽車和工業(yè)應(yīng)用中的安全認(rèn)證設(shè)計(jì)要求的高性能、高能效解決方案。

如上所示，使用 NXP Semiconductors 的多核處理器系列，開(kāi)發(fā)人員可以更有效地實(shí)現(xiàn)能夠滿足上述多樣化要求且易于擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，從而滿足新興的高性能需求。

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