了解關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變過程如何滿足多樣化的功能和 安全要求

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，開發(fā)人員不得不犧牲功能，或增加必要的設(shè)備來支持特定的圖形、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。

本文將簡單介紹關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變過程。然后展示如何使用 NXP Semiconductors 專門設(shè)計(jì)的多核應(yīng)用處理器來應(yīng)對(duì) 開發(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，推動(dòng)了能夠完全滿足這些要求的處理器的需求（圖 1）。

圖 1：朝著更加層次化的汽車系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展的趨勢創(chuàng)造了對(duì)集成度更高的可擴(kuò)展處理器解決方案的需求。（圖片來源：NXP Semiconductors）

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寬的需求廣度。在開發(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。開發(fā)人員越來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)來管 理多樣化的計(jì)算工作負(fù)載（圖 2）。

圖 2：NXP i.MX 8X 系列使用由 Arm Cortex-M4 (CM4) 嵌入式處理器和多個(gè) Arm Cortex-A35 應(yīng)用處理器構(gòu)成的多核架構(gòu)來支 持混合軟件工作負(fù)載。（圖片來源：NXP Semiconductors）

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，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)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件的執(zhí)行速度，Arm 計(jì)算庫提供了經(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)，而開源代碼 Ne10 C 庫則提供了經(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，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加速操作。VPU 用于處 理常見的視頻格式，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。反過來，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。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，而且不供開發(fā)人員使用（圖 3）。

圖 3：該 SCU 深度集成在 NXP i.MX 8X 處理器內(nèi)，不供開發(fā)人員使用，而是使用專用的 Arm Cortex-M4 (CM4) 子系統(tǒng)從器 件的主要處理器分擔(dān)系統(tǒng)管理任務(wù)。（圖片來源：NXP Semiconductors）

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、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）。

圖 4：在 NXP i.MX 8X 安全性控制器 (SECO) 子系統(tǒng)內(nèi)，一個(gè)專用的低功耗 Arm Cortex-M0+ 處理器用于管理安全性操作， 利用一條私鑰總線和多個(gè)硬件模塊實(shí)現(xiàn)安全存儲(chǔ)、加密加速和經(jīng)過身份驗(yàn)證的調(diào)試訪問。（圖片來源：NXP Semiconductors）