什么是異構(gòu)多處理系統(tǒng)，為什么需要異構(gòu)多處理系統(tǒng)？

　　早期嵌入式處理系統(tǒng)通常由一個微控制器和一系列外設(shè)構(gòu)成。這些系統(tǒng)通常用來完成獲取少量數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、做出決策、基于決策結(jié)果輸出信息等工作。在某些情況下會實現(xiàn)簡單的人機交互接口如讀取鍵盤并顯示結(jié)果。處理需求、同時產(chǎn)生需求，以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看似乎微不足道?，F(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常需要處理和分析十億字節(jié)級的海量數(shù)據(jù)，而且常常在確定性和低延時運算上還有一些額外要求。許多應(yīng)用還要求系統(tǒng)在滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時可靠符合可靠性和安全性要求。

　　目前，似乎還不可能在單一處理器上同時滿足處理高帶寬數(shù)據(jù)、執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序、響應(yīng)實時請求并滿足行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。然而，多核異構(gòu)芯片卻可以實現(xiàn)這些功能。這樣的設(shè)備具有多個處理單元，每一個單元都有能力負責(zé)處理一個或多個前述需求，我們稱這樣的設(shè)備為異構(gòu)處理系統(tǒng)。

　　1 什么是異構(gòu)多處理呢?

　　一個異構(gòu)多處理系統(tǒng)由不同類型的多個單核心或多核心處理器構(gòu)成，異構(gòu)多核處理系統(tǒng)最簡單的形式是由一個多核處理器和GPU組成。然而，現(xiàn)代科技讓一顆芯片上的異構(gòu)多處理系統(tǒng)包含以下模塊：

　?、俣嗪藨?yīng)用處理器(Multicore Applications Processors);

　?、诙嗪藞D形處理器(Multicore Graphics Processors;

　?、鄱嗪藢崟r處理器(Multicore Real-Time Processors);

　?、芷脚_管理單元(Platform Management Unit);

　?、菖渲煤桶踩到y(tǒng)(Configuration and Security Unit);

　　⑥在FPGA可編程邏輯上實現(xiàn)特定多核處理器。

　　本文所引用的異構(gòu)多核處理系統(tǒng)包括上述的多個分類。使用FPGA邏輯實現(xiàn)多核處理器的優(yōu)勢是：它可以創(chuàng)建自定義特殊應(yīng)用處理器，通過并行Pipes和多Pipeline stages來實現(xiàn)二維并行數(shù)據(jù)處理，使得在一個時鐘周期里可以完成大量的計算。

　　多核處理器可以設(shè)計用來執(zhí)行通用計算或者是專用計算。和通用處理器執(zhí)行相同功能相比較，專用計算在減小硅片封裝、提高單時鐘周期吞吐率、低功耗的同時能實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

　　2 含可編程邏輯的異構(gòu)處理系統(tǒng)演變

　　Xilinx在2002年推出了第一款帶PowerPC405應(yīng)用處理器的FPGA，在接下來的FPGA里，Xilinx在單片內(nèi)集成了更高性能的PowerPC單核或雙核處理器。不像現(xiàn)今產(chǎn)品代的器件處理系統(tǒng)是一個集成的ASSP(包含處理器、互聯(lián)、存儲控制器和外設(shè))，早期產(chǎn)品需要大量的FPGA資源將各部分資源連接在一起形成一個ASSP-like的解決方案。

　　2011年，Xilinx推出了Zynq-7000系列高集成度的器件，它集成了ARM Cortex-A9 MPCore處理器、互聯(lián)單元、內(nèi)存控制器、外設(shè)以及基于Xilinx 7系列FPGA的可編程邏輯。有人肯能會認為Zynq-7000系列是第一代“異構(gòu)多處理”系統(tǒng)，因為片上的可編程邏輯使得創(chuàng)建和使用專用處理單元成為現(xiàn)實。

　　3 含可編程邏輯的最新一代異構(gòu)處理系統(tǒng)

　　2015年，Xilinx發(fā)布并且開始供貨新一代異構(gòu)多處理器件Zynq UltraScale+ MPSoC。之前的器件集成了可編程邏輯和一個或多個應(yīng)用處理器，Zynq UltraScale+ MPSoC器件集成了：

　　①多核應(yīng)用處理器：四核ARM Cortex-A53應(yīng)用處理器;

　?、诙嗪藞D形處理器：雙核ARM Mali-400圖形處理器;

　　③多核實時處理器：雙核ARM Cortex-R5實時處理器，可同步運行安全性要求苛刻的應(yīng)用;

　　④平臺管理單元：一致性三冗余處理器用于power、錯誤管理和功能安全管理;

　?、菖渲煤桶踩珕卧阂恢滦匀哂嗵幚砥饔糜谙到y(tǒng)配置和安全管理;

　　⑥FPGA可編程邏輯：用戶可編程邏輯用于定制處理器、處理單元和外設(shè)。

　　多核應(yīng)用處理器是傳統(tǒng)的用于通用計算的重負載處理器。這些處理器一般工作在SMP模式，運行一個Linux或Andriod操作系統(tǒng)，當(dāng)然也支持虛擬管理運行多操作系統(tǒng)。

　　圖形處理單元是繼浮點運算單元之后最流行的協(xié)處理器。GPU從應(yīng)用處理器分擔(dān)圖形處理負載，實現(xiàn)復(fù)雜的用戶界面和復(fù)雜的圖形渲染。對Andriod或Windows CE之類的操作系統(tǒng)而言，這些都是必須的基本功能。通用目的GPU(GPGPU)除了圖形處理，還可以勝任數(shù)據(jù)陣列通用計算。

　　實時處理器可以低延時響應(yīng)事件，和應(yīng)用處理器比較通常也更具確定性。在大多數(shù)情況下會運行支持低延時中斷處理和確定性應(yīng)答的實時操作系統(tǒng)。在功能安全性應(yīng)用中，實時處理器通常會運行在雙核鎖步模式下，這樣可以檢測雙處理器中一個處理器出現(xiàn)的錯誤。

　　平臺管理單元負責(zé)管理關(guān)鍵的系統(tǒng)功能和服務(wù)。這些功能包括系統(tǒng)錯誤處理、功耗管理和功能安全任務(wù)等。作為系統(tǒng)的心臟，該單元不容失敗。因此，這里使用了包含表決邏輯的三冗余處理器，這使得即使有一個處理器核發(fā)生錯誤事件，子系統(tǒng)也可以繼續(xù)運行。

　　配置和安全單元負責(zé)系統(tǒng)配置，包括加載處理器第一級Bootloader、可編程邏輯的配置bit stream，程序代碼和bit文件均有可選的加密認證和解密功能。配置和安全單元還可提供持續(xù)的安全監(jiān)控，比如過壓或欠壓、低溫或高溫、試圖提取系統(tǒng)信息訪問等。

　　片上可編程邏輯為異構(gòu)處理帶來了充分的靈活性?？梢酝ㄟ^添加額外的現(xiàn)成的軟核來處理特殊應(yīng)用的計算任務(wù)，也可以在不同層級添加多pipeline和多pipeline stage自定義軟核實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的大規(guī)模并行處理。