嵌入式多核異構(gòu)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

莫錦攀

摘要：隨著近年來(lái)泛在物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算技術(shù)在電力系統(tǒng)中的興起，對(duì)于嵌入式電力產(chǎn)品的處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。以此同時(shí)，多核處理已經(jīng)發(fā)展成為主流的處理器技術(shù)。面對(duì)日益復(fù)雜嵌入式電力應(yīng)用領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品高性能、低功耗的要求，越來(lái)越多的嵌入式電力產(chǎn)品使用多核處理器作為應(yīng)用平臺(tái)。異構(gòu)和同構(gòu)是兩種主要的多核處理器應(yīng)用形態(tài)，由于系統(tǒng)架構(gòu)采用多種了不同功能的核心，多核異構(gòu)模式的處理器更加適合于功能復(fù)雜實(shí)時(shí)性要求高的嵌入式電力應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于此，文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，就如何使用異構(gòu)多核技術(shù)來(lái)搭建高實(shí)時(shí)性多核平臺(tái)來(lái)滿足日益復(fù)雜的嵌入式電力產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求提出個(gè)人的觀點(diǎn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);嵌入式產(chǎn)品;多核異構(gòu);平臺(tái)

引言

使用linux系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)嵌入式電力產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的復(fù)雜需求是非常適合的方案，linux系統(tǒng)有著龐大的生態(tài)系統(tǒng)，需要復(fù)雜的應(yīng)用在linux系統(tǒng)上都有有著合適的解決方案，這可以極大加速嵌入式電力產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，但linux系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但嵌入式電力應(yīng)用場(chǎng)景卻對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，這樣矛盾的問(wèn)題就可以通過(guò)引入處理的多核異構(gòu)方案來(lái)解決。

1、多處理系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用方案介紹

多核處理器根據(jù)內(nèi)核的用途或結(jié)構(gòu)，通?？煞譃槎嗪水悩?gòu)架構(gòu)和多核同構(gòu)架構(gòu)兩種架構(gòu)。多核異構(gòu)是指處理器中的內(nèi)核在結(jié)構(gòu)或用途上是不同的，而多核同構(gòu)架構(gòu)是指處理器中的內(nèi)核在結(jié)構(gòu)或用途上是相同的;這些內(nèi)核可以是通用內(nèi)核，也可以是用于解決某些特定應(yīng)用的專(zhuān)用內(nèi)核。多核同構(gòu)架構(gòu)相比于多核異構(gòu)架構(gòu)，在軟件和硬件設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單，通用性較高，但在某些特定應(yīng)用場(chǎng)合下，如多核異構(gòu)架構(gòu)專(zhuān)用的硬件加速硬核，多核異構(gòu)架構(gòu)的性能會(huì)更高。

根據(jù)其軟件構(gòu)架，多核處理器的運(yùn)行模式有SMP（對(duì)稱(chēng)多處理運(yùn)行模式）、AMP（非對(duì)稱(chēng)多處理運(yùn)行模式）和BMP（受約束多處理運(yùn)行模式）這三種運(yùn)行模式。

SMP：該運(yùn)行模式指多個(gè)內(nèi)核運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)管理多個(gè)內(nèi)核，如x86電腦。

AMP：該運(yùn)行模式指內(nèi)核之間運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)內(nèi)核相互隔離，可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)或裸機(jī)程序。

BMP：該運(yùn)行模式與 SMP 類(lèi)似，但軟件程序設(shè)計(jì)者可以指定將某個(gè)任務(wù)僅在某個(gè)指定核上執(zhí)行。

SMP為較高級(jí)的應(yīng)用提供統(tǒng)一的操作系統(tǒng)平臺(tái)，軟件程序設(shè)計(jì)者在操作系統(tǒng)之上構(gòu)建應(yīng)用時(shí)，無(wú)需考慮多個(gè)內(nèi)核之間的資源共享和進(jìn)程間通信。另外，對(duì) SMP 而言存在一定的性能開(kāi)銷(xiāo)，這會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用造成較大影響。比如電腦的多核處理器一般運(yùn)行在SMP模式，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高，但實(shí)現(xiàn)的功能較為復(fù)雜。

而 AMP運(yùn)行模式開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)比較小，比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，在運(yùn)行裸機(jī)應(yīng)用程序時(shí)，甚至幾乎沒(méi)有開(kāi)銷(xiāo);但需要考慮到內(nèi)核之間資源共享和通信等問(wèn)題。如嵌入式電力控制保護(hù)產(chǎn)品通常需要與人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的通信和高實(shí)時(shí)性的計(jì)算能力，一般采用 AMP運(yùn)行模式，一個(gè)內(nèi)核運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)，另一個(gè)內(nèi)核運(yùn)行裸機(jī)應(yīng)用程序，最大程度兼顧了電力系統(tǒng)控制設(shè)備需要的實(shí)時(shí)性和復(fù)雜功能。

2、多核異構(gòu)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選擇

面對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景是，使用操作系統(tǒng)可以極大的簡(jiǎn)化系統(tǒng)應(yīng)用，并提高程序的復(fù)用能力，為此在需要使用到多核處理的復(fù)雜嵌入式電力產(chǎn)品中，一般都會(huì)選擇使用嵌入式操作系統(tǒng)。

嵌入式電力產(chǎn)品需要處理各種復(fù)雜的應(yīng)用功能，有需要保證各種功能的實(shí)時(shí)性要求，選擇合適的操作系統(tǒng)就顯得至關(guān)重要。多核異構(gòu)處理，由于存在多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的內(nèi)核為此，可以根據(jù)應(yīng)用的需求不同選擇多種不同的嵌入式系統(tǒng)，這是多核異構(gòu)處理模式，相對(duì)于常規(guī)單核處理模式和多核同構(gòu)處理模式不具備的重要優(yōu)勢(shì)

linux系統(tǒng)是目前世界上使用最為廣泛的操作系統(tǒng)，他具有非常高的穩(wěn)定性以及非常豐富的應(yīng)用生態(tài)，非常適合用于處理嵌入式電力系統(tǒng)中復(fù)雜的高級(jí)應(yīng)用。但是由于linux是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度間隔在1ms左右，實(shí)時(shí)性一般在10ms左右，無(wú)法滿足嵌入式電力系統(tǒng)高實(shí)時(shí)部分應(yīng)用的需求。這部分功能一般選擇RTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，RTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)精簡(jiǎn)占用資源少的特點(diǎn)，它能在較少資源的情況下完成高實(shí)時(shí)任務(wù)，從而騰出足夠多的資源以供linux系統(tǒng)使用來(lái)完成嵌入式電力產(chǎn)品中的復(fù)雜高級(jí)應(yīng)用。

3、多核異構(gòu)系統(tǒng)的任務(wù)分配

由于電力系統(tǒng)中高實(shí)時(shí)要求的任務(wù)占比比較高，同時(shí)為了兼顧運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)，一般使用AMP模式來(lái)構(gòu)建多核異構(gòu)系統(tǒng)。在多核異構(gòu)系統(tǒng)中，如何設(shè)定多核之間的協(xié)作方式將是我們第一個(gè)需要面對(duì)的問(wèn)題。

嵌入式電力產(chǎn)品的功能可以劃分成保護(hù)功能和通訊功能兩部分，其中保護(hù)部分功能包括了對(duì)外部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算分析和分析結(jié)果的執(zhí)行三大部分，一般的繼電保護(hù)功能要求在30ms內(nèi)響應(yīng)，即整個(gè)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析和結(jié)果處理要在一個(gè)半周波內(nèi)完成，此部分實(shí)現(xiàn)要求都比較高，一般建議放在由RTOS構(gòu)建的實(shí)時(shí)內(nèi)核上。而通訊部分功能主要是指嵌入式電力產(chǎn)品對(duì)外通訊功能，一般涉及到101規(guī)約、104規(guī)約、IEC61850規(guī)約等多種規(guī)約的處理，除了IEC61850規(guī)約的GOOSE部分功能有較高的實(shí)時(shí)性要求外，其他部分功能對(duì)實(shí)時(shí)性要求均比較低，一般建議放在由linux系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜應(yīng)用內(nèi)核上。

4、多核異構(gòu)系統(tǒng)的資源分配

根據(jù)上面分析，電力系統(tǒng)宜采用Linux+RTOS的多核異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)，其中Linux具有系統(tǒng)穩(wěn)定，資源豐富的特點(diǎn)，適合處理復(fù)雜的高級(jí)應(yīng)用，其對(duì)資源的需求也是比較高的，而RTOS系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性適合處理高實(shí)時(shí)任務(wù)，同時(shí)其系統(tǒng)一般都比較精簡(jiǎn)，對(duì)系統(tǒng)資源消耗較低。因此一般會(huì)將大部分內(nèi)存和flash分配給Linux系統(tǒng)，并且將復(fù)雜以太網(wǎng)、USB、LCD、的外設(shè)也分配給Linux系統(tǒng)管理。而將小部分的內(nèi)存和flash分配給RTOS系統(tǒng)，并讓其管理那些高實(shí)時(shí)要求的外設(shè)。

5、多核異構(gòu)系統(tǒng)的通訊方式

在 AMP 運(yùn)行模式下的多核異構(gòu)系統(tǒng)，雖然不同類(lèi)型的內(nèi)核可以獨(dú)立運(yùn)行，但往往大多數(shù)情況下，我們的軟件設(shè)計(jì)要求多核之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)核間通信，以訪問(wèn)共享資源時(shí)避免沖突，如果沒(méi)有考慮到這些問(wèn)題，則可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題。那多核之間的通訊方式都有哪些手段呢？

1、共享內(nèi)存，我們可以設(shè)置一塊系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域，這塊內(nèi)存作為兩個(gè)或多個(gè)核之間的共享數(shù)據(jù)區(qū)域，也就是說(shuō)所有的核都可對(duì)該內(nèi)存進(jìn)行

2、SGI 中斷，與硬件中斷方式不同，SGI（軟件生成中斷（software generated interrupts）可以通過(guò)軟件方式觸發(fā)中斷， 可以中斷自身、可以中斷另一個(gè) CPU（核）或多個(gè)CPU，例如將某一個(gè)SGI 中斷信號(hào)綁定到 cpu1，并且綁定了相應(yīng)的中斷處理函數(shù)，當(dāng) cpu0 需要與 cpu1 進(jìn)行通信時(shí)就可以觸發(fā)這個(gè) SGI 中斷信號(hào)，這樣就會(huì)執(zhí)行到 cpu1 的中斷處理函數(shù);事實(shí)上，SGI 中斷本身就是為了核間通信而設(shè)計(jì)的，所以它是最適合用于核間通信的一種方法，但往往多數(shù)情況下只使用 SGI 中斷是很難實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的核間通信的，還得需要共享內(nèi)存的配合。

6、多核異構(gòu)系統(tǒng)的外設(shè)管理

多核異構(gòu)系統(tǒng)相對(duì)于多處理系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是其外設(shè)可以由多核共同管理，這樣可以提供非常靈活的外設(shè)管理方案，但同時(shí)也是多核異構(gòu)系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

一般多核異構(gòu)系統(tǒng)的外設(shè)有兩種管理方案，一種是獨(dú)占式，即外設(shè)完全分配給某一個(gè)內(nèi)核來(lái)管理，其他內(nèi)核無(wú)權(quán)直接訪問(wèn)該外設(shè)，必須通過(guò)核間通許來(lái)間接范圍指定外設(shè)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，一般沒(méi)有外設(shè)共享沖突的，其缺點(diǎn)是會(huì)增加核間通訊的開(kāi)銷(xiāo)。另外一種是共享式，多核之間通過(guò)通訊的方式確定外設(shè)的使用權(quán)，獲得使用權(quán)的內(nèi)核可以直接對(duì)外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)，其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)核對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)速度比較快，核間通訊開(kāi)銷(xiāo)較小，缺點(diǎn)是系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，處理不當(dāng)容易出現(xiàn)外設(shè)共享沖突。綜合電力系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求，一般建議復(fù)雜外設(shè)由linux內(nèi)核獨(dú)占使用，簡(jiǎn)單的外設(shè)或者實(shí)時(shí)性要求高的外設(shè)全部由RTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行管理，多內(nèi)核之間在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

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