莫錦攀

摘要：隨著近年來泛在物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計算技術(shù)在電力系統(tǒng)中的興起，對于嵌入式電力產(chǎn)品的處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。以此同時，多核處理已經(jīng)發(fā)展成為主流的處理器技術(shù)。面對日益復雜嵌入式電力應(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。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雜實時性要求高的嵌入式電力應(yīng)用場合。鑒于此，文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，就如何使用異構(gòu)多核技術(shù)來搭建高實時性多核平臺來滿足日益復雜的嵌入式電力產(chǎn)品開發(fā)需求提出個人的觀點，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

引言

使用linux系統(tǒng)來應(yīng)對嵌入式電力產(chǎn)品開發(fā)的復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)品的開發(fā)速度，但linux系統(tǒng)是非實時系統(tǒng)，但嵌入式電力應(yīng)用場景卻對實時性要求非常高，這樣矛盾的問題就可以通過引入處理的多核異構(gòu)方案來解決。

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)計上較為簡單，通用性較高，但在某些特定應(yīng)用場合下，如多核異構(gòu)架構(gòu)專用的硬件加速硬核，多核異構(gòu)架構(gòu)的性能會更高。

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

SMP：該運行模式指多個內(nèi)核運行一個操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)同時管理多個內(nèi)核，如x86電腦。

AMP：該運行模式指內(nèi)核之間運行相對獨立的任務(wù)，每個內(nèi)核相互隔離，可以運行不同的操作系統(tǒng)或裸機程序。

BMP：該運行模式與 SMP 類似，但軟件程序設(shè)計者可以指定將某個任務(wù)僅在某個指定核上執(zhí)行。

SMP為較高級的應(yīng)用提供統(tǒng)一的操作系統(tǒng)平臺，軟件程序設(shè)計者在操作系統(tǒng)之上構(gòu)建應(yīng)用時，無需考慮多個內(nèi)核之間的資源共享和進程間通信。另外，對 SMP 而言存在一定的性能開銷，這會對實時性要求較高的應(yīng)用造成較大影響。比如電腦的多核處理器一般運行在SMP模式，對實時性的要求不高，但實現(xiàn)的功能較為復雜。

而 AMP運行模式開銷相對比較小，比較適合實時性要求較高的應(yīng)用場景，在運行裸機應(yīng)用程序時，甚至幾乎沒有開銷;但需要考慮到內(nèi)核之間資源共享和通信等問題。如嵌入式電力控制保護產(chǎn)品通常需要與人機接口實現(xiàn)復雜的通信和高實時性的計算能力，一般采用 AMP運行模式，一個內(nèi)核運行 Linux 操作系統(tǒng)，另一個內(nèi)核運行裸機應(yīng)用程序，最大程度兼顧了電力系統(tǒng)控制設(shè)備需要的實時性和復雜功能。

2、多核異構(gòu)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選擇

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

嵌入式電力產(chǎn)品需要處理各種復雜的應(yīng)用功能，有需要保證各種功能的實時性要求，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，由于存在多個獨立運行的內(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

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)中復雜的高級應(yīng)用。但是由于linux是非實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度間隔在1ms左右，實時性一般在10ms左右，無法滿足嵌入式電力系統(tǒng)高實時部分應(yīng)用的需求。這部分功能一般選擇RTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)，RTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)具有高實時性以及系統(tǒng)精簡占用資源少的特點，它能在較少資源的情況下完成高實時任務(wù)，從而騰出足夠多的資源以供linux系統(tǒng)使用來完成嵌入式電力產(chǎn)品中的復雜高級應(yīng)用。

3、多核異構(gòu)系統(tǒng)的任務(wù)分配

由于電力系統(tǒng)中高實時要求的任務(wù)占比比較高，同時為了兼顧運行開銷，一般使用AMP模式來構(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需要面對的問題。

嵌入式電力產(chǎn)品的功能可以劃分成保護功能和通訊功能兩部分，其中保護部分功能包括了對外部數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)計算分析和分析結(jié)果的執(zhí)行三大部分，一般的繼電保護功能要求在30ms內(nèi)響應(yīng)，即整個數(shù)據(jù)采集、計算分析和結(jié)果處理要在一個半周波內(nèi)完成，此部分實現(xiàn)要求都比較高，一般建議放在由RTOS構(gòu)建的實時內(nèi)核上。而通訊部分功能主要是指嵌入式電力產(chǎn)品對外通訊功能，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時性要求外，其他部分功能對實時性要求均比較低，一般建議放在由linux系統(tǒng)構(gòu)建的復雜應(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，適合處理復雜的高級應(yīng)用，其對資源的需求也是比較高的，而RTOS系統(tǒng)具有高實時性適合處理高實時任務(wù)，同時其系統(tǒng)一般都比較精簡，對系統(tǒng)資源消耗較低。因此一般會將大部分內(nèi)存和flash分配給Linux系統(tǒng)，并且將復雜以太網(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時要求的外設(shè)。

5、多核異構(gòu)系統(tǒng)的通訊方式

在 AMP 運行模式下的多核異構(gòu)系統(tǒng)，雖然不同類型的內(nèi)核可以獨立運行，但往往大多數(shù)情況下，我們的軟件設(shè)計要求多核之間能夠進行數(shù)據(jù)交互，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)核間通信，以訪問共享資源時避免沖突，如果沒有考慮到這些問題，則可能會導致系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題。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)存作為兩個或多個核之間的共享數(shù)據(jù)區(qū)域，也就是說所有的核都可對該內(nèi)存進行

2、SGI 中斷，與硬件中斷方式不同，SGI（軟件生成中斷（software generated interrupts）可以通過軟件方式觸發(fā)中斷， 可以中斷自身、可以中斷另一個 CPU（核）或多個CPU，例如將某一個SGI 中斷信號綁定到 cpu1，并且綁定了相應(yīng)的中斷處理函數(shù)，當 cpu0 需要與 cpu1 進行通信時就可以觸發(fā)這個 SGI 中斷信號，這樣就會執(zhí)行到 cpu1 的中斷處理函數(shù);事實上，SGI 中斷本身就是為了核間通信而設(shè)計的，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 中斷是很難實現(xiàn)比較復雜的核間通信的，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)相對于多處理系統(tǒng)的一個重要優(yōu)勢就是其外設(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，但同時也是多核異構(gòu)系統(tǒng)的一個設(shè)計難點。

一般多核異構(gòu)系統(tǒng)的外設(shè)有兩種管理方案，一種是獨占式，即外設(shè)完全分配給某一個內(nèi)核來管理，其他內(nèi)核無權(quán)直接訪問該外設(shè)，必須通過核間通許來間接范圍指定外設(shè)，其優(yōu)點是系統(tǒng)底層設(shè)計相對簡單穩(wěn)定，一般沒有外設(shè)共享沖突的，其缺點是會增加核間通訊的開銷。另外一種是共享式，多核之間通過通訊的方式確定外設(shè)的使用權(quán)，獲得使用權(quán)的內(nèi)核可以直接對外設(shè)進行訪問，其優(yōu)點是內(nèi)核對外設(shè)的訪問速度比較快，核間通訊開銷較小，缺點是系統(tǒng)底層設(shè)計相對比較復雜，處理不當容易出現(xiàn)外設(shè)共享沖突。綜合電力系統(tǒng)的高實時性要求，一般建議復雜外設(shè)由linux內(nèi)核獨占使用，簡單的外設(shè)或者實時性要求高的外設(shè)全部由RTOS實時內(nèi)核進行管理，多內(nèi)核之間在應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)交互。

參考文獻

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