對于實(shí)時系統(tǒng)，尤其是對安全至關(guān)重要的系統(tǒng)，多核處理器由于對處理器內(nèi)核之間共享資源的爭用，對嚴(yán)格的確定性提出了重大挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)在更高的吞吐量和更好的尺寸、重量和功率 （SWaP） 方面受益于多核處理器的使用。具有異構(gòu)處理器內(nèi)核的處理器增加了將應(yīng)用程序與每種內(nèi)核類型的功能相匹配的能力，進(jìn)一步提高了吞吐量和 SWaP。多核處理器的優(yōu)勢在于軟件架構(gòu)的復(fù)雜性增加，以最大限度地利用處理器內(nèi)核。對于實(shí)時系統(tǒng)，尤其是對安全至關(guān)重要的系統(tǒng)，多核處理器由于對處理器內(nèi)核之間共享資源的爭用，對嚴(yán)格的確定性提出了重大挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)隨著異構(gòu)內(nèi)核的增加而增加，因?yàn)樽顗那闆r下的執(zhí)行時間可能會因應(yīng)用程序執(zhí)行的內(nèi)核而異。

要更詳細(xì)地探索這種權(quán)衡，請考慮 NXP? i.MX 8QuadMax 應(yīng)用處理器中的異構(gòu)內(nèi)核（圖 1）。i.MX 8QuadMax 具有四個 Arm? Cortex?-A53 內(nèi)核和兩個 Cortex-A72 內(nèi)核，可通過將每個應(yīng)用任務(wù)的性能要求與不同內(nèi)核的性能容量相匹配來實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。與 A53 核心相比，A72 核心提供大約兩倍的性能，但功耗更高。

圖 1：NXP i.MX 8 架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)多核解決方案的吞吐量和 SWaP 優(yōu)勢，軟件架構(gòu)需要支持可用處理器內(nèi)核的高利用率。必須支持所有多核功能，從啟用內(nèi)核的并發(fā)操作（相對于可用內(nèi)核被強(qiáng)制進(jìn)入空閑狀態(tài)或在啟動時保持重置）到提供確定性負(fù)載平衡機(jī)制。軟件多處理架構(gòu)越靈活，系統(tǒng)架構(gòu)師實(shí)現(xiàn)高利用率所需的工具就越多。

軟件多處理架構(gòu)

與多處理器系統(tǒng)一樣，多核處理器上的軟件架構(gòu)可以根據(jù)內(nèi)核之間共享和協(xié)調(diào)的數(shù)量進(jìn)行分類。基于多核的系統(tǒng)最簡單的軟件架構(gòu)是非對稱多處理 （AMP），其中每個內(nèi)核獨(dú)立運(yùn)行，每個內(nèi)核都有自己的操作系統(tǒng)或管理程序/客戶操作系統(tǒng)對。每個核心運(yùn)行不同的應(yīng)用程序，核心之間在調(diào)度方面很少或沒有有意義的協(xié)調(diào)。由于缺乏負(fù)載平衡、難以緩解共享資源爭用以及無法跨核心執(zhí)行協(xié)調(diào)活動（例如綜合內(nèi)置測試所需的），這種解耦可能導(dǎo)致利用率不足。

AMP 的現(xiàn)代替代方案是對稱多處理 （SMP），其中單個操作系統(tǒng)控制所有資源，包括哪些應(yīng)用程序線程在哪些內(nèi)核上運(yùn)行。這種架構(gòu)易于編程，因?yàn)樗袃?nèi)核都“對稱”地訪問資源，從而使操作系統(tǒng)可以將任何線程分配給任何內(nèi)核。對于具有異構(gòu)內(nèi)核的處理器，例如 i.MX 8QuadMax，不知道應(yīng)用程序?qū)⒃谀姆N類型的內(nèi)核上運(yùn)行可能會導(dǎo)致執(zhí)行時間范圍廣泛，從而顯著影響確定性性能。

綁定多處理 （BMP） 直接解決了這個問題，它是一種增強(qiáng)型和受限形式的 SMP，它將應(yīng)用程序的任務(wù)/線程靜態(tài)綁定到特定內(nèi)核。這種靜態(tài)綁定允許系統(tǒng)架構(gòu)師嚴(yán)格控制多個內(nèi)核的并發(fā)操作。

確保確定性行為

除了實(shí)現(xiàn)多核處理器的吞吐量和 SWaP 目標(biāo)外，安全關(guān)鍵系統(tǒng)還需要為每個應(yīng)用程序保持可預(yù)測的最壞情況執(zhí)行時間 （WCET）。使用 BMP 限制與應(yīng)用程序配對的內(nèi)核類型是確保異構(gòu)系統(tǒng)中確定性行為的重要組成部分。確保確定性的其他技術(shù)是時間和空間分區(qū)以及管理共享資源的爭用。

在單核處理器中，多個安全關(guān)鍵應(yīng)用程序可以通過在托管應(yīng)用程序之間穩(wěn)健地劃分內(nèi)存空間來在同一處理器上執(zhí)行。內(nèi)存空間分區(qū)將內(nèi)存的非重疊部分專用于在給定時間運(yùn)行的每個應(yīng)用程序，由處理器的內(nèi)存管理單元 （MMU） 強(qiáng)制執(zhí)行。確定性可以通過使用時間劃分來進(jìn)一步增強(qiáng)，時間劃分將一個固定的時間間隔（稱為主幀）劃分為一系列固定的子間隔，稱為劃分時間窗口。每個應(yīng)用程序都分配有一個或多個分區(qū)時間窗口，窗口的長度和數(shù)量由應(yīng)用程序的 WCET 和所需的重復(fù)率決定。

多核干擾挑戰(zhàn)確定性

在多核環(huán)境中，可以有多個應(yīng)用程序在不同的內(nèi)核上同時運(yùn)行。這些并發(fā)應(yīng)用程序每個都需要訪問處理器的資源。每個處理核心都有一些專用資源，但大多數(shù)資源在處理器核心之間共享，包括內(nèi)存控制器、I/O、共享緩存以及連接它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)多個處理器內(nèi)核嘗試同時訪問同一資源時，會導(dǎo)致這些共享資源的爭用。在航空電子設(shè)備等安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序中，主要問題是這種共享資源爭用如何導(dǎo)致運(yùn)行在一個內(nèi)核上的應(yīng)用程序干擾運(yùn)行在另一個內(nèi)核上的應(yīng)用程序，從而對確定性、服務(wù)質(zhì)量以及最終的安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。

如果不加以緩解，共享資源爭用的影響可能會很大。僅檢查其中一種共享資源 DDR 內(nèi)存，人們可能會猜測，當(dāng)另一個內(nèi)核嘗試訪問同一內(nèi)存并且兩個內(nèi)核都運(yùn)行內(nèi)存受限的應(yīng)用程序時，WCET 可能會翻倍。實(shí)際上，由于共享資源仲裁和調(diào)度算法中的非線性行為，WCET 可以增加 8 倍而不是 2 倍。嘗試訪問 DDR 內(nèi)存或爭奪其他資源（例如片上互連）的其他內(nèi)核可能會導(dǎo)致 WCET 增長得更加顯著（圖 2）。

圖 2：多核干擾的增加速度快于核心數(shù)量。

多核干擾緩解

減輕多核干擾的一種方法是手動調(diào)度應(yīng)用程序以最小化資源爭用。這種方法不會消除所有干擾，并且任何時候修改任何單個應(yīng)用程序或添加新應(yīng)用程序都需要重新測試和驗(yàn)證所有應(yīng)用程序。另一種方法是安排一次只運(yùn)行一個多任務(wù)應(yīng)用程序。任務(wù)之間仍然會發(fā)生干擾，但不會對其他應(yīng)用程序產(chǎn)生干擾。這種方法在具有異構(gòu)內(nèi)核的處理器上尤其無效，因?yàn)椴煌瑑?nèi)核類型的執(zhí)行時間不同。

更通用的方法是讓操作系統(tǒng)管理共享資源爭用。與操作系統(tǒng)使用硬件 MMU 通過將不同的內(nèi)存區(qū)域分配給不同的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)空間分區(qū)的方式相同，操作系統(tǒng)可以按內(nèi)核為共享資源分配帶寬。解決操作系統(tǒng)中的多核干擾為系統(tǒng)集成商提供了有效、靈活和敏捷的解決方案。它還簡化了新應(yīng)用程序的添加，而無需對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重大更改，并減少了重新驗(yàn)證活動。

航空電子設(shè)備中異構(gòu)核心的示例解決方案

NXP i.MX 8QuadMax 應(yīng)用處理器包括四個共享 1MB L2 緩存的 Arm Cortex-A53 內(nèi)核和兩個共享另一個 1MB L2 緩存的 Arm Cortex-A72 內(nèi)核。該處理器還包括兩個用于卸載系統(tǒng)功能的 Cortex-M4F 內(nèi)核和兩個能夠運(yùn)行 OpenCL、Vulkan 和 OpenVX 視覺加速的 GPU。i.MX 8 的一項(xiàng)獨(dú)特功能是硬件資源分區(qū)，其中系統(tǒng)控制器將外圍設(shè)備和內(nèi)存區(qū)域提交到特定的客戶定義域中。域之間的任何通信都被迫使用通過硬件消息單元運(yùn)行的消息協(xié)議。i.MX8QuadMax 面向廣泛的應(yīng)用，包括工業(yè) HMI（人機(jī)界面）和控制、電子駕駛艙 （eCockpit）、平視顯示器、樓宇自動化和單板計算機(jī)。

綠山的誠信?-178 tuMP? 多核 RTOS 是一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，可在 i.MX 8 中的所有 64 位處理器內(nèi)核上運(yùn)行，并支持 AMP、SMP 和 BMP 的同時組合。RTOS 的時變統(tǒng)一多處理 （tuMP） 方法為將安全關(guān)鍵型和安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序移植、擴(kuò)展和優(yōu)化到多核架構(gòu)提供了最大的靈活性。INTEGRITY-178 tuMP 使用跨所有內(nèi)核運(yùn)行的時間分區(qū)內(nèi)核，允許應(yīng)用程序綁定到一個內(nèi)核或稱為關(guān)聯(lián)組的內(nèi)核組。如果需要，可以進(jìn)一步限制關(guān)聯(lián)組中應(yīng)用程序的每個任務(wù)以在特定核心上運(yùn)行。對于 i.MX 8QuadMax 處理器，

圖 3：使用 Affinity Groups，一個應(yīng)用程序綁定到兩個 Cortex-A72 內(nèi)核，而另外兩個應(yīng)用程序綁定到一組 Cortex-A53 內(nèi)核。

INTEGRITY-178 tuMP 直接解決多核干擾，包括開發(fā)到最嚴(yán)格安全級別的帶寬分配和監(jiān)控 （BAM） 功能。BAM 功能監(jiān)控并強(qiáng)制分配來自每個處理器內(nèi)核的共享資源的帶寬。BAM 模擬一種基于硬件的高速方法，以確保對每個核心對共享資源的使用進(jìn)行連續(xù)分配強(qiáng)制。BAM 在整個應(yīng)用程序的執(zhí)行時間窗口中平滑地調(diào)節(jié)帶寬，從而允許同一執(zhí)行時間窗口中的其他應(yīng)用程序獲取它們分配的共享資源部分。使用前面的內(nèi)存訪問干擾示例，將 50% 的內(nèi)存帶寬分配給高關(guān)鍵應(yīng)用程序會導(dǎo)致幾乎恒定的 WCET，即使干擾內(nèi)核的數(shù)量增加，而當(dāng)存在多個干擾內(nèi)核時，WCET 也會降低 8 倍（圖 4）。這種能力有效地減輕了多核干擾并大大降低了集成和認(rèn)證風(fēng)險，同時還使集成商能夠獲得多核處理器的最大性能優(yōu)勢。

圖 4：使用 BAM 將 50% 的共享資源帶寬分配給關(guān)鍵應(yīng)用程序后，WCET 幾乎保持不變并大大降低。

NXP i.MX 8QuadMax 為優(yōu)化航空電子設(shè)備和其他嵌入式實(shí)時系統(tǒng)中的 SWaP 提供了重要機(jī)會。Cortex-A72 和 Cortex-A53 內(nèi)核的結(jié)合使系統(tǒng)架構(gòu)師能夠強(qiáng)調(diào)性能或電源效率，從而創(chuàng)建最佳的系統(tǒng)級解決方案。相應(yīng)的軟件架構(gòu)需要具有靈活性和可控性，以充分利用這些異構(gòu)應(yīng)用內(nèi)核，同時保持嚴(yán)格的確定性。結(jié)合使用 Affinity Groups 或某種其他形式的 BMP 的能力以及多核干擾緩解解決方案（例如 BAM），可以在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中有效使用 i.MX 8QuadMax。

審核編輯：郭婷