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多核处理器满足压力表多样化的功能和安全性要求

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预计汽车,工业,机器人技术,建筑控制和其他关键嵌入式系统应用程序将承担更多的工作负载,从低功耗实时监控到具有用于人机界面(HMI)的多屏图形显示的高级多媒体应用程序。在满足这些广泛的功能要求时,它们还必须能够支持严格的安全标准,降低成本和占地面积,并优化电源/性能平衡。

为了满足这些有时有时相互冲突的要求,迄今为止,开发人员不得不牺牲功能或使设计和制造复杂化,并增加支持图形,安全性和安全性等特定要求所需的附加设备。开发人员真正需要的是一个单一的解决方案,该解决方案能够支持范围广泛的关键嵌入式系统应用程序中满足这些要求的多种产品。

本文快速介绍了关键嵌入式系统设计的发展。然后,它将展示如何使用多核应用处理器(由恩智浦半导体专门设计来支持快速扩展的对广泛功能和安全认证功能的要求列表)如何用于解决开发人员的挑战。
 
嵌入式系统设计注意事项的演变
嵌入式设备在支持一组有限的系统功能方面的传统作用已被对提供广泛功能的设备的需求所取代。例如,在工业应用中,对智能工具和设备中增强的HMI功能的需求要求处理器能够在满足更多传统工业实时要求的同时提供优化的图形。同样,汽车应用向包含功能域集群和网关的分层体系结构的趋势推动了对完全能够满足这些要求的处理器的需求(图1)。
在每个功能域中,对更复杂功能的需求不断提高性能和集成功能的门槛。例如,平视显示器的出现要求解决方案能够确保持续向驾驶员提供重要的图形信息。与这些下一代显示器一起,对增强驾驶员意识的日益增长的需求也增加了对摄像头接口以及高性能执行高级识别软件的需求,这些软件能够提供睡意检测功能。

随着应用程序的不断发展,对高度集成,可扩展的解决方案的需求变得越来越迫切,以满足日益多样化的需求,同时最大限度地减少了设计占地面积,成本和复杂性。使用恩智浦的i.MX 8应用处理器系列,开发人员可以利用兼容的处理器平台,并具有满足广泛应用需求所需的一系列功能和性能。在i.MX 8系列中,恩智浦i.MX 8X系列满足了中档汽车和工业应用对安全认证处理器的新兴需求。

多核架构可管理各种工作负载
开发人员在实现用于汽车和工业应用的设备时面临的困难之一是需求的广度。在开发人员可以期望处理实时或高级应用程序处理工作负载的地方,对智能子系统的需求已将这些明显不同的计算类型合并在一起。开发人员越来越需要能够在支持功能安全性要求的同时提供可靠的实时响应和高性能应用程序执行的解决方案。

恩智浦i.MX 8X系列处理器旨在提供实时功能,高性能处理和低功耗,旨在充分利用复杂的多核中央处理器(CPU)架构来管理各种计算工作负载(图2)。
对于一般的实时处理任务,i.MX 8X设备包括带浮点单元(FPU),内存保护单元(MPU),内存映射加密加速单元(MMCAU)的Arm Cortex-M4(CM4)处理器。杂项控制模块(MCM)。为了支持传感器和执行器等外围设备,该用户CM4复合系统将嵌套矢量中断控制器(NVIC)与一整套接口和模块结合在一起,包括低功率周期性中断定时器(LPIT),脉宽调制(PWM)和汽车和工业应用中通常需要的其他功能。一对高速缓存和具有纠错码(ECC)功能的紧密耦合内存(TCM)有助于最大程度地减少对外部存储器的访问,加快执行速度并处理内存错误。

为了快速执行应用程序工作负载,CPU平台包括多个省电的Arm Cortex-A35应用程序处理器(AP)-8DualXPlus处理器中的两个AP(例如MIMX8UX6AVLFZAC)和8QuadXPlus处理器中的四个AP(例如MIMX8QX6AVLFZAC)。除了专用指令(I $)和数据(D $)高速缓存外,CPU平台还包括带有ECC的共享512 KB(Kbyte)2级(L2)高速缓存。

该架构的Arm Cortex-A35内核同时提供软件兼容性和性能可扩展性,同时支持32位向后兼容性和64位性能。为了进一步加快计算密集型算法(例如信号处理和机器学习)的执行速度,Arm Cortex-A35处理器提供了矢量浮点(VFP)处理和Arm的Neon单指令多数据(SIMD)体系结构扩展。为加速用于图像处理,计算机视觉和机器学习的软件的执行,Arm Compute库提供了针对Arm处理器和图形处理单元(GPU)架构进行了优化的功能,而开源Ne10 C库提供了Arm优化的功能,可用于计算,密集的操作。

专用引擎可减轻主CPU的负担
除了用户CM4复合体和Arm Cortex-A35多核CPU平台以外,该体系结构还为多媒体应用程序提供了其他专用引擎。该架构与用于音频和语音编解码器处理的数字信号处理器(DSP)一起,集成了GPU和视频处理单元(VPU)。该设备的GPU支持标准图形库,可使用具有16个执行单元的四个独立的四分量浮点矢量(vec4)和高性能的二维位blit引擎来加速操作。VPU处理流行的视频格式,加速解码高达4Kp30(逐行,30 Hz)和编码高达1080p30。反过来,该芯​​片的专用显示控制器模块可以将图形输出驱动到多达三个独立的显示器。

为了进一步最大化性能,i.MX 8X架构还集成了其他处理器内核,这些处理器内核旨在使主CPU平台摆脱执行系统管理和安全服务通常会产生的额外处理负载。对于系统管理,该体系结构的系统控制单元(SCU)集成了一个与用户CM4复合体相匹配的CM4复合体,但仍完全专用于SCU操作,并且无法供开发人员使用(图3)。

在管理电源,时钟和其他内部功能的同时,SCU在正常操作中还控制引脚多路复用和输入/输出(I / O)通道驱动强度。实际上,用户CM4 Complex和Arm Cortex-A35 AP无法直接访问这些各种底层硬件功能。相反,SCU用于抽象这些功能,因此在用户CM4或AP上运行的软件只需要调用SCU固件应用程序编程接口(API)功能即可执行诸如关闭不需要的电源域等功能。例如,如果该电源域正在与另一个处理器共享,则SCU会简单地确认掉电请求,但仍使该域通电,直到该其他处理器也发出了掉电请求。

为了管理i.MX 8X设备的广泛安全支持,设备的安全控制器(SECO)子系统中将使用另一个专用处理器。在SECO子系统内,集成的低功耗Arm Cortex-M0 +处理器执行支持基于硬件的安全功能的固件,包括用于安全密钥的专用总线访问,用于安全密钥存储的一次性可编程(OTP)存储器以及安全的非安全密钥。易失性存储(SNVS),用于存储其他私有数据或临时密钥(图4)。

除了这些核心安全机制之外,SECO子系统还通过其身份验证调试模块(ADM)协调安全操作,以进行篡改检测和安全调试。为了安全执行,集成的加密加速和保证模块(CAAM)硬件安全模块支持全套安全算法,包括对称和非对称密码,哈希函数和随机数生成器(RNG)。

在正常操作中,包括SCU,AP和数字传输内容保护(DTCP)加速器在内的设备处理单元使用SECO安全互连来通过系统总线访问CAAM功能。除了通过CAAM直接存储器访问(DMA)功能进行访问之外,SECO的专用Cortex-M0 +处理器无法访问系统总线。相反,它使用受保护的内部连接来访问外围设备,安全的随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)以及其专用私钥总线。

连同其DTCP加速器的使用,此私钥总线在i.MX 8X处理器支持中对实时加密和解密起着中心作用。在这里,安全处理器使用其资源来提供设备的内联加密/解密引擎(IEE)模块所需的私钥,因为它可以安全地从加密存储中读取或写入数据,而无需请求处理器,DMA控制器或I / O的参与设备。

SECO子系统基于集成在设备Cortex-A35处理器中的Arm的TrustZone技术,在安全启动过程中还可以与SCU一起使用。在此过程中,SCU解释启动设置,配置启动源,并将启动映像加载到内部或外部存储器。反过来,SECO子系统使用其加密功能对已签名的固件映像在加载之后但执行之前进行身份验证。

保护重要的显示和控制功能
尽管有效且安全地处理各种工作负载的能力很重要,但对于诸如汽车和工业领域的关键任务应用程序而言,保护关键功能的能力同样至关重要。恩智浦的i.MX 8X系列将其处理能力与满足这些关键要求所需的安全认证能力相结合。

处理器家族的安全支持建立在多个层次上,首先是使用完全耗尽的绝缘体上硅(FD-SOI)工艺技术进行制造,以增强系统可靠性。由于系统安全性取决于强大的安全性基础,因此启用TrustZone的AP,SECO子系统和安全启动功能的组合可以提供所需的受信任环境,以阻止对安全性和安全性的威胁。

同时,能够与用户CM4 Complex一起独立处理时间紧迫的任务,并将关键系统任务卸载到SCU和SECO子系统,这有助于确保尽管处理负载有所变化,关键任务应用程序功能仍然可用。实际上,恩智浦通过该公司的SafeAssure技术扩展了该概念,以支持关键任务显示,该技术在i.MX 8X设备中集成了支持汽车安全完整性B级(ASIL B)的硬件显示故障转移路径。使用SafeAssure,如果设备检测到数据完整性或GPU错误,则会自动为用户提供故障转移映像。该故障转移映像在后台运行,可确保即使在主显示器出现故障期间也仍然可以使用关键信息。

对安全应用程序的支持扩展到基于i.MX 8X的系统中的内存访问。在其受支持的内存接口中,i.MX 8X设备为双倍数据速率3低压(DDR3L)内存提供8位ECC。连同L2高速缓存中的ECC(再次参见图2),此DDR3L ECC功能支持工业安全完整性级别3(SIL 3)。i.MX 8X架构还将ECC支持扩展到了外部闪存存储设备。此处,集成的Bose,Ray-Chaudhuri,Hocquenghem(BCH)编码器和解码器模块提供了62位ECC,能够校正从这些存储设备读取的数据块中的2至20个单位错误。

调出基于i.MX 8X的应用程序
与此类中的任何处理器一样,实现基于i.MX 8X的设计需要仔细注意对电源的严格要求,包括关键的上电顺序。为i.MX 8X设备通电时,需要依次或同时为四个不同的电源组通电,从SVNS子系统开始,再到SCU,I / O和内存接口,最后是设备的其余部分。开发人员只需使用恩智浦的PF8x00电源管理集成电路(PMIC)器件即可满足此要求,该器件可提供支持i.MX 8X处理器以及外部存储器和典型系统外围设备所需的一整套电压轨和控制信号(图5)。 。

在实施自己的基于i.MX 8X的设计时,开发人员可以使用NXP MC33PF8100CCES PMIC,该芯片已预先编程为与8QuadXPlus处理器(如MIMX8QX6AVLFZAC)一起使用。其他PF8x00变体(例如MC33PF8100A0ES和MC33PF8200A0ES)支持i.MX 8X处理器,但未进行预编程。

对于安全应用,诸如MC33PF8200A0ES的PF8200系列设备集成了旨在支持ASIL B系统的功能。PF8200 PMIC连同多个内部监视器(包括带有专用带隙基准的输出电压监视器)一起,包括一个故障安全输出(FSOB)引脚,该引脚用于在上电或电源故障事件期间将系统保持在安全状态。此外,内置的模拟自测(ABIST)例程可测试所有电压监控器,而自测例程可验证其他设备功能。

尽管PF8x00 PMIC可以简化基于i.MX 8X的系统的硬件设计,但某些开发人员可能需要立即开始评估i.MX 8X设备并快速制作基于i.MX 8X的应用程序原型。恩智浦的MCIMX8QXP-CPU i.MX 8X多传感器支持套件(MEK)提供了一个现成的开发平台,该平台结合了NXP i.MX 8QuadXPlus处理器,NXP F8100 PMIC,3 GB(GB)RAM,32 GB嵌入式多媒体控制器(eMMC)内存和64兆字节(Mbyte)闪存。除了显示屏,摄像头和音频接口外,MEK板还包括一组通常用于汽车或工业应用中的传感器。为了获得更多的连接性,音频和扩展选项,开发人员还可以添加NXP的可选MCIMX8-8X-BB基板。

结论
对于汽车,工业,楼宇控制和HMI等越来越多的应用程序,处理工作负载已扩展到既包括传统的实时I / O处理,也包括新兴的具有多媒体图形的应用程序级处理。尽管每种工作负载都有设计选项,但很少有可用的解决方案能够满足对高性能,高能效解决方案的日益增长的需求,这些解决方案能够满足汽车和工业应用中对安全认证设计的要求。

如图所示,使用NXP Semiconductors的多核处理器系列,开发人员可以更有效地实施能够满足这些多样化要求并易于扩展的设计,从而满足新兴的高性能要求。

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