Microchip Technology Inc.
Avtor: Venki Narayanan, direktor marketinga za poslovno enoto FPGA v podjetju Microchip Technology
Sodobni sistemi postajajo vse bolj kompleksni in za obdelavo delovne obremenitve potrebujejo raznolike arhitekture obdelave. Dodajanje strojnega učenja (ML) in umetne inteligence (AI) na robu, pogosto na operacijskem sistemu Linux®, povečuje kompleksnost končnega dizajna.
Aplikacije, ki so ključne za varnost, nadzor sistema in varnost, potrebujejo prožnost sistema Linux in determinizem sistemov v realnem času za nadzor strojne opreme, kar povečuje povpraševanje po večprocesnih sistemih, kjer večnitna strojna oprema (harts) omogoča sočasno izvajanje različnih delovnih obremenitev.
Arhitekture simetričnega večprocesnega delovanja (SMP) ponujajo fleksibilnost pri izvajanju bogatih operacijskih sistemov, vendar pogosto ne dosegajo deterministične zmogljivosti, ki jo zahtevajo sistemi v realnem času. Nasprotno pa asimetrično večprocesno delovanje (AMP) omogoča optimizacijo za posamezne naloge z izolacijo delovnih obremenitev med različnimi procesnimi enotami, čeprav je ta pristop lahko bolj zapleten za izvedbo. Da bi se spopadel s tem izzivom, je Microchip uporabil preizkušeno skupino RISC-V® strojne opreme (»harts« v RISC-V terminologiji) znotraj enega samega CPU coreplexa za arhitekturo čipa, ki podpira zmogljivosti AMP v širokem spektru industrijskih in AI aplikacij na robu.
MPU PIC64GX združuje procesor, združljiv z Linuxom, z več harts (hardverskih niti) v enem samem kompleksu, ki je skladen s podsistemom pomnilnika, kar omogoča mešanico determinističnih sistemov v realnem času in operacijskega sistema Linux v enem samem CPU-sklopu. To omogoča delovanje AMP za glavne industrijske vizualne in Edge AI aplikacije, kar poenostavlja razvoj kode, ki lahko teče na operacijskih sistemih v realnem času, Linuxu.
V sistemih za obdelavo in nadzor v realnem času AMP razvijalcem omogoča dodelitev namenskih procesnih enot za časovno občutljive naloge, kar zagotavlja predvidljivo delovanje in ohranja nizko zakasnitev. Razporejanje procesov v sistemu Linux običajno ni v realnem času, z opaznimi in nepredvidljivimi zakasnitvami prekinitev. AMP omogoča delovnim obremenitvam s strogimi zahtevami v realnem času, da za kritični nadzor izvajajo RTOS, hkrati pa ohranja funkcije na ravni aplikacij, ki tečejo v sistemu Linux na drugem jedru.
Čeprav predpomnilniki izboljšujejo zmogljivost, lahko izpadi v predpomnilniku povzročijo nestabilnost izvajanja in nepredvidljive zakasnitve z nedeterminističnim obnašanjem. MPU PIC64GX to preprečuje tako, da omogoča izvajanje kontekstov v realnem času v Loosely Integrated Memory (LIM), s čimer se izogne nedeterminističnosti, povezani s predpomnilnikom. To omogoča učinkovite cevovode, zlasti za delovne obremenitve umetne inteligence in strojnega učenja, ki zmanjšujejo čas obdelave.
Sistem temelji na 600 MHz E51 64-bitnem procesorskem jedru RV64IMAC kot sistemskem monitorju, s 16 KB pomnilnika, ki lahko služi kot dvosmerni L1 pomnilnik navodil s popravkom napak ali tesno integriran pomnilnik, 8 KB tesno integriranim pomnilnikom podatkov in enoto PMP za obdelavo aplikacij.
Srce sistema pa je jedro, sestavljeno iz štirih 64-bitnih procesorjev U54 RV64GC za obdelavo aplikacij z najvišjo delovno frekvenco 600 MHz, od katerih vsak zagotavlja zmogljivost 3,1 CoreMarks/MHz in 1,7 DMIPs/MHz. To je isti sklop, ki se uporablja v sistemu PolarFire® na čipu FPGA, kar zagotavlja zanesljiv, preizkušen večjedrni podsistem in uveljavljen ekosistem orodij. Peti procesor upravlja z nadzornimi funkcijami čipa, vendar je na voljo tudi za neposredno izvajanje delovnih obremenitev v realnem času ali na goli strojni opremi.
Podsistem pomnilnika L1 vključuje 32 KiB 8-smerni predpomnilnik ukazov ali izbirni 28 KiB tesno integriran pomnilnik in 32 KiB 8-smerni predpomnilnik podatkov. Poleg tega je na voljo enota za zaščito fizičnega pomnilnika (PMP) in enota za upravljanje pomnilnika (MMU). Podsistem pomnilnika ima več funkcij, vključno z 2 MiB pomnilnika L2 z različnimi načini dostopa, integriranim krmilnikom pomnilnika, ki podpira različne različice DDR, enoto za zaščito pomnilnika (MPU) in vgrajenim neizbrisnim pomnilnikom za varne možnosti zagona.
Matrica CPU-busa s koherentnim predpomnilnikom in prilagodljiv podsistem pomnilnika L2 z zmogljivostjo 2 MiB sta ključnega pomena za delovanje AMP. Pomnilnik s popravljanjem napak je mogoče konfigurirati kot 16-smerni asociativni predpomnilnik L2 z načinom Loosely Integrated Memory (LIM) za deterministični dostop in koherentnim načinom Scratchpad Memory za skupna sporočila med nitmi.
Integriran 36-bitni DDR4/LPDDR4 pomnilniški krmilnik s popravljanjem napak podpira DDR4 pri 1,6 Gbps z 8 GiB naslovnim prostorom z enoto za zaščito pomnilnika (MPU) in integriranim 128 KiB vgrajenim neizbrisnim pomnilnikom (eNVM) za zagon. To omogoča popolnoma prilagodljivo konfiguracijo pri zagonu za razdelitev v delovanje v realnem času ali Linux harts s podporo za L2 predpomnilnik.
Uporaba AMP
V RISC-V se procesne enote imenujejo strojne niti ali harts, vsaka nit v PIC64GX MPU pa predstavlja neodvisen izvedbeni kontekst, ki lahko izvaja lasten operacijski sistem ali delovno obremenitev v strojni opremi. Aplikacijski klaster quad-hart je mogoče konfigurirati za izvajanje do dveh neodvisnih programskih kontekstov. Vsak kontekst ima lahko dodeljen lasten operacijski sistem, pomnilniške regije in strojne vire. Strojna oprema preprečuje dostop do virov drugega konteksta s strojeno ločitvijo. Kršitve lahko zazna in obravnava Hart Software Services (HSS), medtem ko je monitor hart E51 namenjen izvajanju firmware-a Hart Software Services (HSS).
Ta HSS je boot zaganjalnik brez stopnje, sistemski monitor in ponudnik storitev za izvajanje aplikacij. HSS podpira zgodnjo nastavitev sistema, usposabljanje DDR in inicializacijo/konfiguracijo strojne opreme. Večinoma deluje na E51, z majhno količino funkcionalnosti na ravni stroja, ki deluje na vsakem U54. Zagoni enega ali več kontekstov z nalaganjem uporabniške obremenitve iz zagonskega pomnilnika, ki je lahko vgrajen NVM, in zagotavlja storitve za izvajanje platforme/izvršilno okolje nadzornika (SEE) za jedra operacijskega sistema. Podpira varen zagon in je pomemben sestavni del pri zagotavljanju razdelitve/ločevanja strojne opreme za kontekste AMP.
To se uporablja za konfiguracijo kompleksa quad-hart, to je štirinitno. Kompleks se lahko na primer konfigurira tako, da na treh U54 nitih teče Linux, na preostal niti pa Zephyr® RTOS. Periferne naprave se lahko dodelijo kateremu koli od kontekstov.
Odprti standardni programski okvir, imenovan Open Asymmetric Multiprocessing (OpenAMP), zagotavlja programske komponente za razvoj programskih aplikacij za sisteme AMP. Ključni elementi za to so Remote Processor Messaging (RPMsg) in oddaljeni procesor (remoteProc), ki se uporabljata za razdelitev delovnih obremenitev med dva AMP konteksta in lahko enostavno komunicirajo med seboj.
Nasveti za razvoj
AMP delovne obremenitve podpirajo napredne zasnove in so sestavljene iz več programskih komponent, ki delujejo skupaj. S pomočjo razdelitve strojne opreme AMP omogoča mešanim kritičnim delovnim obremenitvam, da izpolnjujejo zahteve in omejitve v realnem času.
Razvijalci se morajo osredotočiti na zemljevid pomnilnika in razpored pomnilnika MPU-jev PIC64GX, komunikacijske metode RPmsg in RPmsg-lite ter lastništvo virov, ki zajema izključno dodelitev pomnilnika in/ali perifernih naprav za določen kontekst.
Aplikacije morajo imeti pregleden komunikacijski kanal med konteksti, ki uporabljajo RPmsg prek skupnega pomnilnika, z jasno opredelitvijo vsebine sporočil. Naloge je treba razdeliti, da se delovne obremenitve učinkovito razdelijo na obvladljive dele, ki jih lahko različne procesne enote učinkovito izvedejo. Vsaka nit mora imeti zadostne pomnilniške vire in minimalen prenos podatkov med njimi, da se zmanjša zakasnitev komunikacije in poveča vzporednost. HSS deluje kot sistemski monitor in poroča o napakah na vodilu, napakah ECC in usodnih izjemah, s katerimi se srečujejo U54.
Periferna oprema
Kar zadeva periferno opremo, družina večprocesorskih procesorjev PIC64GX vključuje Gigabit Ethernet MAC za zelo hitro medsebojno povezovanje, kot tudi vmesnike USB 2.0 OTG in 5.1 SD/SDIO MMC kartice. Na voljo sta dvoje CAN 2.0 vrat s petimi večnamenskimi UART-i, dvoje SPI vmesnikov in dvoje I2C vmesnikov, pa tudi izvedbeni Quad SPI Flash krmilnik skupaj z integriranim enojnim x1 ali x4 PCIe® Gen 2 Root Port.
Varnost
V sistem so vgrajene različne varnostne funkcije, ki zagotavljajo zanesljivo zaščito pred grožnjami. Vgrajena dvojna funkcija Physically Unclonable Function (PUF) zagotavlja osnovo za zaupanje v šifrirne ključe, s 56 KiB varnega neizbrisnega pomnilnika (sNVM) in 128 KiB vgrajenega neizbrisnega pomnilnika (eNVM) na čipu. Oblika ima vgrajene tudi detektorje nedovoljenega poseganja in protiukrepe, preverjanje integritete za pomnilniške bloke sNVM in eNVM ter odpornost proti napadom z diferencialno analizo moči (DPA), ki se lahko uporabijo za zajemanje ključev.
Možnosti uporabe
MPU PIC64GX so namenjeni vgrajenim računalnikom z eno ploščo, krmiljenju motorjev, računalništvu v realnem času, vizualnim in AI/ML aplikacijam. Uporabljajo se lahko na primer za združevanje senzorjev in AI sklepanje z izvajanjem operacijskega sistema v realnem času v enem kontekstu.
Senzorje je mogoče enostavno priključiti na MPU PIC64GX z uporabo vmesniških perifernih naprav, kot sta SPI in I2C. Operacijski sistem lahko nato v realnem času obdeluje podatke senzorjev, komunikacijski bloki, kot sta UART ali CAN, pa se lahko uporabijo za prenos podatkov ali povzetkov podatkov, kot je potrebno, na podlagi računalništva na robu.
Za ugnezdene naloge računalniškega vida lahko ločen Linux kontekst omogoča identifikacijo objektov, klasifikacijo in pretakanje videa prek vmesnikov, kot je Ethernet, vse na istem čipu z uporabo zmogljivosti AMP. To omogoča manjšo in stroškovno učinkovitejšo zasnovo v industrijskih ali medicinskih aplikacijah.
Orodja
Uporaba AMP v industrijskih aplikacijah AI je vse bolj zapletena, zato ima PIC64GX MPU orodje z naborom sistemov za Linux in odprtokodni RTOS, VxWorks in druge ponudnike za razvoj varnostno kritičnih sistemov. MPLAB® Extensions omogoča konfiguracijo in olajša migracijo iz drugih Microchip procesorjev, vključno s Hart Software Services (HSS), ki zagotavlja izvorno kodo za HSS zero stage bootloader in sistemski monitor.
V ekosistemu Zephyr RTOS in paketu Yocto Project® Linux board support package (BSP) je na voljo podpora za upstream. Sistem za gradnjo Linuxa, ki temelji na Buildroot, uporablja jedro Linux4Microchip, od različice 2024.10 pa je na voljo tudi podpora za Ubuntu® Linux. To vključuje vse gonilnike, vključno z obrobnimi napravami, potrebnimi za razvoj. Za orodja in sisteme obiščite repozitorij GitHub https://github.com/pic64gx.
Skupina je del uveljavljenega ekosistema Mi-V, ki vključuje podporo orodij Lauterbach in Ashling. Sistem vključuje funkcije za odpravljanje napak JTAG z desetimi prožilci strojne opreme na procesor, ki jih je mogoče konfigurirati kot prekinitvene točke ali točke opazovanja in števce učinkovitosti.
Zaključek
MPU PIC64GX so bili posebej zasnovani za implementacijo AMP v ugnezdenih inteligentnih aplikacijah na robu, ki zahtevajo mešano kritičnost. Robusten, preizkušen sklop štirih 64-bitnih RISC-V jeder znotraj enega samega coreplexa se lahko varno konfigurira ob zagonu, da poleg operacijskega sistema Linux izvaja tudi operacijski sistem v realnem času. To omogoča zlasti poenostavljeno obdelavo slik z umetno inteligenco v realnem času. Z zrelo in dobro podprto verigo orodij PIC64GX MPU omogoča razvijalcem ugnezdenih sistemov, da samozavestno razvijajo kompleksne aplikacije v industrijskih, AI/ML in domenah v realnem času, s čimer poenostavljajo razvoj in pospešujejo čas uvedbe na trg.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
