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異構(gòu)多核處理器滿足自主設(shè)備的安全要求

電子設(shè)計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2019-04-02 08:11 ? 次閱讀
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自主設(shè)備的出現(xiàn)可能是本十年最令人期待的發(fā)展之一。它主要是以車輛的形式進(jìn)行探索,可以展示某種程度的自動駕駛;市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可以與有限駕駛員協(xié)助并行停放的汽車,而谷歌的自動駕駛汽車項目在美國累積了超過150萬自治里程。

然而,自主設(shè)備有多種形狀。希思羅機(jī)場的5號航站樓停車場“吊艙”是自動駕駛車輛,可以將乘客從他們的汽車運(yùn)送到候機(jī)室,盡管在規(guī)定的路徑上行駛并且沒有其他道路使用者的阻礙?,F(xiàn)在世界上有許多無人駕駛輕軌的例子。除了大規(guī)模運(yùn)輸之外,無人機(jī)變得更加自主,需要從操作員那里直接輸入更少的東西來懸停,改變高度或方向;這里的潛在趨勢是無人機(jī)變得完全自主,將貨物從A點(diǎn)運(yùn)輸?shù)紹點(diǎn)而沒有任何直接的人為控制。

實(shí)現(xiàn)這種自治水平的大部分技術(shù)仍在開發(fā)中,這項法規(guī)將允許其大規(guī)模推廣。

沒什么新東西?

在很多方面,嵌入式設(shè)備總是自動運(yùn)行;不同的是,他們也基本上是靜止的。然而,用于開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序,特別是嵌入式軟件的實(shí)踐反映了嵌入式設(shè)備的性質(zhì)。它們(通常)存在以執(zhí)行特定功能并且具有可預(yù)測的條件,在這些條件下它們必須具有可清楚識別的刺激。開發(fā)高質(zhì)量嵌入式應(yīng)用程序的“藝術(shù)”是設(shè)備處理不可識別的刺激或不可預(yù)測的條件的方式。

在大多數(shù)情況下,軟件將包含一種強(qiáng)有力的邏輯方式來有效地忽略所有那些不直接影響其主要功能的條件。如果設(shè)備是打印機(jī)那就沒關(guān)系,如果設(shè)備能夠按照自己的意愿移動,那就不太好了。正是這一關(guān)鍵差異定義了開發(fā)人員在設(shè)計自主設(shè)備時面臨的主要挑戰(zhàn)。忽略與主要功能無關(guān)的條件或刺激是不可接受的,因?yàn)橹饕δ軐o法在不可預(yù)測性是主要輸入的世界中可靠和安全地導(dǎo)航。

美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)使用五個級別的自動化,明確區(qū)分駕駛員輔助系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)。在0級操作的系統(tǒng)沒有表現(xiàn)出汽車(轉(zhuǎn)向,制動,加速器)的主要安全功能的自動化,因此包括當(dāng)今的大多數(shù)駕駛員輔助系統(tǒng),例如車道偏離或碰撞檢測警告。這些定義最終達(dá)到了第4級:完全自動駕駛自動化,其中包括無人駕駛車輛。

當(dāng)然,相同的定義不一定適用于不打算運(yùn)送人員的自主設(shè)備;但是在開發(fā)能夠?qū)ο到y(tǒng)未必先前描述的條件做出適當(dāng)反應(yīng)的系統(tǒng)方面存在同樣的挑戰(zhàn)。

處理范例

政府和行業(yè)充分意識到自主設(shè)備的潛力。在英國,機(jī)器人和自治系統(tǒng)(RAS)特別興趣小組(RAS-SIG)成立于2013年,目的是了解RAS在英國的景觀和機(jī)遇。它已經(jīng)確定了很多,包括RAS工具:能夠在與環(huán)境和人員互動的同時移動自己和其他東西,并規(guī)劃他們的動作和行動的工具。

這樣的系統(tǒng)將更加“可預(yù)測”運(yùn)行'環(huán)境比其他形式的自動駕駛汽車,旨在移動城市和農(nóng)村地區(qū)的貨物和乘客。在這種情況下,設(shè)備需要的不僅僅是前視雷達(dá),以避免碰撞;他們將依靠系統(tǒng)的方法來連接自動道路車輛,使他們能夠共享信息,甚至相互學(xué)習(xí)。新興的車輛到車輛(V2V)和車輛到基礎(chǔ)設(shè)施(V2X)通信系統(tǒng)旨在提供這種級別的連接,這是在任何駕駛條件下保持所有道路使用者安全所必需的。

收集和處理此級別信息所需的智能已經(jīng)可用,并且可以在多核設(shè)備和片上系統(tǒng)(SoC)中找到。其中一些設(shè)備專門針對汽車市場和ADAS(高級駕駛員輔助系統(tǒng)),但更多設(shè)備用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

這些設(shè)備將高吞吐量數(shù)據(jù)處理能力與實(shí)際相結(jié)合單個設(shè)備中的時間控制功能。多個處理內(nèi)核的緊密集成允許子系統(tǒng)之間更快的數(shù)據(jù)交換,同時獨(dú)立工作以保持安全性和安全性要求。通常,這些設(shè)備還將集成專用于特定應(yīng)用的外圍設(shè)備,例如傳感器接口。當(dāng)然,傳感器將在自主設(shè)備中發(fā)揮關(guān)鍵作用,并將包括攝像機(jī)以及其他類型的傳感器技術(shù),例如紅外線和各種形式的光傳感器,用于檢測路徑,障礙物和接近度。超聲波和雷達(dá)也正在開發(fā)時考慮到自主設(shè)備。

多核有意義

像VF6xx(恩智浦Vybrid系列的一部分)這樣的異構(gòu)多核設(shè)備結(jié)合了不同但互補(bǔ)的處理子系統(tǒng),以及模擬和數(shù)字外設(shè),使其適用于許多應(yīng)用。對于VF6xx,有兩個內(nèi)核:具有DSP功能的ARM?Cortex?-M4和ARM Cortex-A5。雖然能夠使用網(wǎng)絡(luò)互連(NIC)系統(tǒng)(構(gòu)成Vybrid系列中設(shè)備的“主干”)來交換數(shù)據(jù),但這兩個內(nèi)核旨在獨(dú)立運(yùn)行,并在必要時運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。圖1顯示了VF6xx的框圖。

異構(gòu)多核處理器滿足自主設(shè)備的安全要求

圖1:恩智浦的Vybrid VF6xx具有兩個ARM內(nèi)核,可提供實(shí)時控制和高水平的數(shù)據(jù)處理

例如,Cortex-A5內(nèi)核可以執(zhí)行Linux發(fā)行版和應(yīng)用程序代碼,而Cortex-M4內(nèi)核可以運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)來實(shí)現(xiàn)控制功能。雖然不是專為自主設(shè)備開發(fā)的,但是在單個設(shè)備中的這種分離水平可用于在必須處理來自多個源的大量數(shù)據(jù)的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)低成本,高效的控制系統(tǒng),同時保持實(shí)時控制電機(jī)和執(zhí)行器。

延遲是實(shí)時系統(tǒng)的主要因素,因此需要RTOS。由于所有數(shù)據(jù)傳輸必須通過VF6xx中的NIC,因此它旨在最大程度地減少延遲。它還維護(hù)總線主控器(內(nèi)核和DMA)與從器件(外設(shè)和存儲器)之間的關(guān)系。主設(shè)備和從設(shè)備之間的任何數(shù)據(jù)傳輸都會產(chǎn)生延遲,因此系統(tǒng)級架構(gòu)是設(shè)計基于多核SoC的系統(tǒng)的一個重要方面。

雖然VF6xx具有多個內(nèi)存,可以通過NIC訪問兩個內(nèi)核,Cortex-M4還有自己的緊耦合存儲器(TCM),這是一個使用本地存儲器控制器直接連接到核心的標(biāo)準(zhǔn)SRAM。因此,內(nèi)核可以在一個周期內(nèi)訪問TCM,使其成為實(shí)時控制的理想選擇。

高分辨率控制

多核設(shè)備現(xiàn)在可用于各種應(yīng)用程序,通常需要將連接性與精確和自適應(yīng)控制相結(jié)合。這是德州儀器公司的Concerto系列目前定位的地方,盡管可以想象它可以用于自動設(shè)備。

它采用了與TI自己的C28x浮點(diǎn)內(nèi)核集成的ARM Cortex-M3內(nèi)核;與TI的Piccolo?和Delfino?系列相同的核心。 ARM內(nèi)核旨在提供通信子系統(tǒng),而C28x內(nèi)核則涵蓋實(shí)時控制。

該架構(gòu)具有許多可由任一內(nèi)核訪問的模擬外設(shè)。其中包括兩個12位ADC和六個10位DAC模塊(每個模塊都包含一個比較器)。

處理器間通信外圍設(shè)備(IPC)為兩個內(nèi)核提供交換數(shù)據(jù)和同步程序執(zhí)行的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。交換通過寄存器和軟件中的簡單握手進(jìn)行控制。提供外部外設(shè)接口(EPI),也可由兩個內(nèi)核訪問,允許高速并行總線與外部外設(shè)和存儲器連接。 EPI的靈活性意味著它可以使用標(biāo)準(zhǔn)控制協(xié)議以及FPGACPLD與大多數(shù)類型的外設(shè)接口。

自主設(shè)備的一個主要特點(diǎn)是它們的移動能力,這很有可能使用無刷直流電機(jī)(BLDCs)進(jìn)行運(yùn)動和“重載”,以及步進(jìn)電機(jī),可以在操作較小的物品時精確控制“手臂”和“手指”?,F(xiàn)在通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制BLDC的默認(rèn)方法。 Concerto F28M35x具有9個PWM模塊;其中八個是高分辨率。

反饋是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素,在自主設(shè)備中同樣重要。 Concerto解決這個問題的方法之一是通過增強(qiáng)型正交編碼脈沖模塊或eQEP。這旨在直接連接到線性或旋轉(zhuǎn)編碼器,以收集位置,方向和速度數(shù)據(jù)。圖2顯示了旋轉(zhuǎn)編碼器的典型實(shí)現(xiàn)以及eQEP模塊檢測到的結(jié)果波形。

異構(gòu)多核處理器滿足自主設(shè)備的安全要求

圖2:德州儀器的Concerto系列將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3與其自己的C28xx內(nèi)核結(jié)合在一起,提供適用于各種控制的多核處理器應(yīng)用程序。

結(jié)論

自主設(shè)備,包括無人駕駛飛行器,下一代“智能工具”,當(dāng)然還有車輛,預(yù)計將在未來幾年內(nèi)變得更加普遍到了我們都熟悉他們在大多數(shù)人的生活中的存在。在開發(fā)任何類型的自主設(shè)備時,安全是一個主要考慮因素,國家和國際標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)發(fā)展以解決這個問題。今天針對工業(yè)應(yīng)用的所有高度集成的處理器將能夠滿足當(dāng)今的安全要求,并使它們處于成為自治時代先鋒的絕佳位置。

盡管炒作,自主設(shè)備市場目前仍處于起步階段,因此半導(dǎo)體制造商需要一些時間才能有足夠的信心和市場洞察力來開發(fā)專用設(shè)備來解決這個問題。與此同時,開發(fā)人員可以依賴本文中描述的異構(gòu)多核設(shè)備。

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