13、嵌入式系统中的网络与多处理器技术解析-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/neovim7hacker/article/details/154773199

嵌入式系统中的网络与多处理器技术解析

在嵌入式计算系统的发展进程中，网络和多处理器的应用变得越来越重要。本文将深入探讨嵌入式系统中使用网络和多处理器的原因、多处理器的分类、分布式嵌入式系统的相关内容，以及视频加速器和光盘播放器的设计实例。

1. 嵌入式系统中网络和多处理器的必要性

在嵌入式系统设计中，使用网络和多处理器主要有以下几个原因：
- 成本/性能优势 ：处理元件的购买价格与性能呈非线性关系，高速处理器价格昂贵。将应用程序拆分到多个较小的处理器上执行，即使加上组件组装成本，总体系统成本也更低。
- 实时性能提升 ：将时间关键的进程放在单独的处理器上，可以减少调度开销，提高系统的响应能力。
- 物理系统控制需求 ：在一些应用中，如汽车，需要将处理能力靠近被控制的物理系统，以满足模拟和机械需求。
- 低功耗设计 ：多个低速运行的处理器比单个大型处理器消耗的功率更少，因为性能与电源电压呈线性关系，而功率与电压的平方成正比。

2. 多处理器的分类

多处理器主要有两种类型：
- 共享内存系统 ：多个处理器可以读写一组共享的内存。这种系统在单芯片嵌入式多处理器中很常见，如CD播放器和手机中的TI DaVinci。
- 消息传递系统 ：处理器之间通过发送消息进行通信，每个处理器有自己的本地内存。汽车中的CAN总线就是消息传递系统的典型应用。

此外，根据处理元件和内存的物理组织方式，多处理器还可以分为系统级芯片（MPSoC）和分布式系统。MPSoC的网络通信延迟较低，而分布式系统的处理元件物理上分离，通信延迟较高。

3. 分布式嵌入式系统

分布式嵌入式系统通常使用网络将多个处理器连接起来。为了理解和设计网络，国际标准化组织（ISO）开发了开放系统互连（OSI）七层模型，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

常见的分布式嵌入式系统网络包括：
- CAN总线 ：用于汽车电子，支持多个主设备，采用位串行传输，速率可达1 Mbit/秒。通过CSMA/AMP技术进行总线仲裁，具有错误处理和远程帧请求功能。
- I2C总线 ：成本低、易于实现，速度适中，使用串行数据线（SDL）和串行时钟线（SCL）。支持多主设备，通过地址进行设备识别，鼓励数据推送编程风格。
- 以太网 ：广泛用于通用计算的局域网，在嵌入式计算中也有应用。采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）算法进行仲裁，性能分析较为困难，不太适合实时操作。
- 互联网协议（IP） ：提供无连接的数据包通信，工作在网络层。IP本身不保证数据包的交付和顺序，但其上层的传输控制协议（TCP）可以提供连接导向的服务。

4. 共享内存多处理器

共享内存处理器适合处理大量数据的应用，如信号处理系统。许多高性能嵌入式平台采用异构共享内存多处理器，不同的处理元件执行不同的功能，以提高效率。

异构共享内存多处理器实例 ：TI TMS320DM816x DaVinci数字媒体处理器，包含CPU、DSP和多个专用单元，用于高性能视频应用。
加速器 ：加速器可以为计算密集型应用提供大幅的性能提升。设计加速器需要考虑系统是否真正需要、加速功能能否提高系统速度、加速器的设计和接口实现等问题。例如，Xilinx Zynq - 7000平台结合了处理器系统和FPGA fabric，可用于构建自定义加速器。

5. 视频加速器设计实例

以运动估计加速器为例，介绍视频加速器的设计过程：
- 视频压缩 ：MPEG - 2视频压缩采用离散余弦变换（DCT）和块运动估计技术，通过运动向量编码减少视频带宽。
- 算法和要求 ：采用全搜索算法进行运动估计，需要处理大量像素。系统要求使用FPGA连接到PC的PCI总线，以实现高速数据传输。
- 规格说明 ：定义了运动向量、宏块和搜索区域等基本数据类型，以及加速器和PC的类。
- 架构设计 ：考虑到算法所需的数据量，加速器需要外部内存来存储像素。一种可能的架构是使用两个内存和16个处理元件进行差异计算。
- 组件设计 ：如果使用标准FPGA加速器板，需要确保其提供所需的内存；如果设计自己的加速器板，需要同时设计视频加速器和PCI总线接口。
- 系统测试 ：由于视频算法测试需要大量数据，可使用图像进行测试，通过标准视频工具提取帧并转换为所需格式。

6. 光盘播放器应用实例

光盘（CD）是一种广泛使用的光学存储介质，CD播放器的设计是信号处理战胜机械限制的典范。
- 光盘数据存储 ：数据存储在光盘底部的凹坑中，采用螺旋组织方式。数据被分为扇区，每个扇区有地址和控制位。
- 光盘机制 ：包括激光、光学元件和光电探测器，通过伺服系统控制激光聚焦、跟踪和滑块位置。
- 信号处理 ：采用八到十四（EFM）编码确保数据的最小转换率，使用强大的纠错码补偿制造和读取问题。
- 系统架构 ：CD播放器包括伺服处理器、纠错单元和音频单元，这些处理器并行工作，处理来自读取机制的数据流。

下面是一个简单的mermaid流程图，展示光盘播放器的基本工作流程：

graph TD;
    A[读取光盘数据] --> B[激光聚焦和跟踪控制];
    B --> C[数据解码和纠错];
    C --> D[音频处理和输出];

综上所述，网络和多处理器技术在嵌入式系统中具有重要的应用价值。通过合理选择多处理器架构和网络，以及优化系统设计，可以提高嵌入式系统的性能、降低成本和功耗。在实际应用中，需要根据具体需求进行权衡和选择，以实现最佳的系统性能。

嵌入式系统中的网络与多处理器技术解析

7. 多处理器系统的性能分析与调度

在多处理器系统中，性能分析和调度是关键的设计问题。

7.1 加速器性能分析

加速器的性能分析主要关注加速系统相对于无加速器系统的速度提升。速度提升因素取决于系统是单线程还是多线程，即CPU在加速器运行时是空闲还是可以并行执行其他有用工作。

加速器的执行时间不仅取决于其功能执行时间，还包括数据输入和输出时间。对于简单加速器，总执行时间可表示为：
[ t_{accel} = t_{in} + t_x + t_{out} ]
其中，(t_x) 是假设所有数据可用时加速器的执行时间，(t_{in}) 和 (t_{out}) 分别是读取和写入所需变量的时间。

更复杂的加速器可以尝试将输入输出与计算重叠，此时 (t_{in}) 和 (t_{out}) 表示非重叠的读写时间。

系统的总加速比 (S) 可以表示为：
[ S = \frac{n \times t_{CPU}}{n \times (t_{in} + t_x + t_{out})} ]
其中，(t_{CPU}) 是CPU上等效软件功能的执行时间，(n) 是函数执行的次数。

在单线程系统中，系统执行时间直接减少 (S) 倍；在多线程环境中，系统执行时间取决于最长执行路径，需要通过标记节点执行时间并枚举路径或使用图算法来计算。

7.2 调度和分配

设计分布式嵌入式系统时，需要进行操作调度和计算分配：
- 操作调度 ：包括网络通信和处理元件上的计算调度。如果一个处理元件计算完成过晚，可能会干扰网络通信。
- 计算分配 ：计算分配到处理元件的方式决定了所需的通信。如果一个处理元件计算的值需要另一个处理元件使用，则必须通过网络传输。

下面通过一个例子来说明调度和分配：
假设有一个任务图：

P1 --d1--> P2 --d2--> P3

平台有两个处理元件 (M1) 和 (M2)，各进程在不同处理元件上的运行速度如下表所示：
| 进程 | (M1) | (M2) |
| — | — | — |
| (P1) | 5 | 5 |
| (P2) | 5 | 6 |
| (P3) | - | 5 |

数据传输时间：(d1) 为 2 时间单位，(d2) 为 4 时间单位。

初始分配 ：将 (P1) 和 (P2) 分配给 (M1)，(P3) 分配给 (M2)，调度长度为 19。
另一种分配 ：将 (P1) 分配给 (M1)，(P2) 和 (P3) 分配给 (M2)，调度长度为 18。

这表明在分析总执行时间时，考虑通信因素可以做出更优的进程分配决策。

8. 总结与展望

网络和多处理器技术在嵌入式系统中扮演着至关重要的角色。通过使用网络和多处理器，可以实现成本/性能的优化、实时性能的提升、物理系统的有效控制以及低功耗设计。

在多处理器分类方面，共享内存系统和消息传递系统各有优势，适用于不同的应用场景。分布式嵌入式系统中，各种网络如CAN总线、I2C总线、以太网和IP协议等，为系统提供了多样化的通信选择。

在实际应用中，视频加速器和光盘播放器的设计实例展示了如何将多处理器和网络技术应用于具体的系统中。同时，性能分析和调度分配的重要性也在多处理器系统设计中得到了体现。

未来，随着嵌入式系统的不断发展，网络和多处理器技术将面临更多的挑战和机遇。例如，如何进一步提高系统的实时性能、降低功耗、优化调度算法等。我们需要不断探索和创新，以满足日益增长的嵌入式系统需求。

下面是一个mermaid流程图，展示嵌入式系统设计的整体流程：

graph LR;
    A[需求分析] --> B[选择多处理器架构和网络];
    B --> C[系统设计];
    C --> D[性能分析和调度];
    D --> E[组件设计和实现];
    E --> F[系统测试];
    F --> G[优化和改进];

总之，网络和多处理器技术是嵌入式系统发展的关键驱动力，我们需要深入研究和应用这些技术，以推动嵌入式系统的不断进步。