從低功耗實時監(jiān)視到具有用于人機界面 (HMI) 的多屏圖形顯示的高級多媒體應用，汽車、工業(yè)、機器人、樓宇控制和其他關鍵 嵌入式系統(tǒng)應用預期需要承擔更加多樣化的工作負載。在滿足這些廣泛的功能要求的同時，它們還必須能夠支持嚴格的安全標 準，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，或增加必要的設備來支持特定的圖形、安全性和 安全等要求，導致設計和制造的復雜性增加。開發(fā)人員真正需要的是一種單一的解決方案，能夠跨眾多關鍵的嵌入式系統(tǒng)應用 支持各式各樣滿足上述要求的產(chǎn)品。

本文將簡單介紹關鍵嵌入式系統(tǒng)設計的演變過程。然后展示如何使用 NXP Semiconductors 專門設計的多核應用處理器來應對 開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)，這些處理器可以支持快速擴展的需求列表，包括眾多功能性和安全認證能力。

嵌入式系統(tǒng)設計的演變過程注意事項 嵌入式設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備的需求所取代。例如，在 工業(yè)應用中，智能工具和設備對于增強型 HMI 功能的需求要求處理器能夠在滿足更多傳統(tǒng)工業(yè)實時要求的同時，提供優(yōu)化的 圖形。同樣，汽車應用向包含功能域集群和網(wǎng)關的分層架構發(fā)展的趨勢，推動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)架構發(fā)展的趨勢創(chuàng)造了對集成度更高的可擴展處理器解決方案的需求。（圖片來源：NXP Semiconductors）

在每個功能域中，對于更復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，增強駕駛員感知能力的需求與日俱增，也對攝像頭接口以及 高性能地執(zhí)行能夠提供睡意檢測功能的高級識別軟件提出了更多的要求。

隨著應用的持續(xù)發(fā)展，為滿足日益多樣化的要求，同時最大限度減少設計的占用空間并降低成本和復雜性，對于高度集成的可 擴展解決方案的需求也變得更加迫切。利用 NXP 的 i.MX 8 系列應用處理器，開發(fā)人員可以將兼容的處理器平臺與一系列必要 的功能和性能相結合，來支持各種各樣的應用需求。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)應用所需 的安全認證處理器的新興需求。

多核架構管理多樣化的工作負載 開發(fā)人員在實現(xiàn)用于汽車和工業(yè)應用的設備時所面臨的一大難題是過寬的需求廣度。在開發(fā)人員預期處理實時或高級應用處理 工作負載的情況下，對智能子系統(tǒng)的需求卻將這些截然不同的計算類型合并到一起。開發(fā)人員越來越需要能夠在支持功能安全 要求的同時提供可靠的實時響應和高性能應用執(zhí)行的解決方案。

NXP i.MX 8X 系列處理器可提供實時功能、高性能處理，而且功耗很低，可充分利用復雜的多核中央處理器 (CPU) 架構來管 理多樣化的計算工作負載（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 Arm Cortex-A35 應用處理器構成的多核架構來支 持混合軟件工作負載。（圖片來源：NXP Semiconductors）

對于通用型實時處理任務，i.MX 8X 器件包括一個帶浮點單元 (FPU)、內存保護單元 (MPU)、內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器等外部外設，此用戶 CM4 復 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合，包括低功耗周期性中斷定時器 (LPIT)、脈沖寬度調制 (PWM) 以及在汽車和工業(yè)應用中通常需要的其他功能。一對高速緩存存儲器和具有糾錯碼 (ECC) 功能的緊耦合存儲器 (TCM)，有助于最大限度減少對外部存儲器的訪問，加快執(zhí)行速度和處理存儲器錯誤。

為了快速執(zhí)行應用工作負載，該 CPU 平臺由多個高能效的 Arm Cortex-A35 應用處理器 (AP) 構成，其中兩個 AP 在 8DualXPlus 處理器（例如 MIMX8UX6AVLFZAC）中，四個 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 平臺還包括帶有 ECC 的 512 KB 2 級 (L2) 共享高速緩存。

該架構的 Arm Cortex-A35 內核可提供軟件兼容性和性能可擴展性，從而支持 32 位向后兼容性和 64 位性能。為了進一步加快 計算密集型算法（如信號處理和機器學習）的執(zhí)行速度，Arm Cortex-A35 處理器提供了矢量浮點 (VFP) 處理和 Arm 的 Neon 單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 架構擴展。為了加快用于圖像處理、計算機視覺和機器學習的軟件的執(zhí)行速度，Arm 計算庫提供了經(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)化適用于計算密集型操 作的函數(shù)。

專用引擎分擔主 CPU 的負荷 除了用戶 CM4 復合體和 Arm Cortex-A35 多核 CPU 平臺之外，該架構還提供了專門用于多媒體應用的額外引擎。除了用于音 頻和語音編解碼器處理的數(shù)字信號處理器 (DSP) 之外，該架構還集成了 GPU 和視頻處理單元 (VPU)。該器件的 GPU 支持標 準圖形庫，使用具有 16 個執(zhí)行單元的四個獨立的四分量浮點矢量 (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 4Kp30（逐行、30 Hz）的視頻和編碼高達 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動至多達三個獨立的顯示器。

為進一步實現(xiàn)最大化性能，i.MX 8X 架構還集成了更多處理器內核，這些內核旨在將主 CPU 平臺從通常在執(zhí)行系統(tǒng)管理和安 全性服務時發(fā)生的其他處理負載中解放出來。針對系統(tǒng)管理，該架構的系統(tǒng)控制單元 (SCU) 集成了一個與用戶 CM4 復合體匹 配的 CM4 復合體，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，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系統(tǒng)管理任務。（圖片來源：NXP Semiconductors）

除了管理電源、時鐘和其他內部功能外，該 SCU 還控制正常操作中的引腳多路復用和輸入 / 輸出 (I/O) 通道驅動強度。實際 上，用戶 CM4 復合體和 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 上運行的軟件只需調用 SCU 固件應用編程接口 (API) 函數(shù)，便可執(zhí)行諸如關閉不需要的功率 域這類功能。例如，如果該功率域正在與另一個處理器共享，則該 SCU 僅確認斷電請求，但仍將該域保持通電，直到前述另 一個處理器也發(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，一個集成的低功耗 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、用于安全密鑰存儲的一次性可編程 (OTP) 存儲器，以及用于其他私有數(shù)據(jù)或臨時密鑰的安全非易失性存 儲 (SNVS)（圖 4）。

圖 4：在 NXP i.MX 8X 安全性控制器 (SECO) 子系統(tǒng)內，一個專用的低功耗 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硬件模塊實現(xiàn)安全存儲、加密加速和經(jīng)過身份驗證的調試訪問。（圖片來源：NXP Semiconductors）