安全關(guān)鍵應(yīng)用中異構(gòu)臂芯的軟件注意事項(xiàng)

嵌入式系統(tǒng)受益于多核處理器的使用，它們具有更高的吞吐量以及更好的尺寸，重量和功耗。具有異構(gòu)處理器內(nèi)核的處理器增加了將應(yīng)用程序與每種內(nèi)核類型的功能進(jìn)行匹配的能力，從而進(jìn)一步提高了吞吐量和功耗。多核處理器的優(yōu)勢(shì)在于軟件體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不斷提高，以最大化處理器內(nèi)核的利用率。對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，特別是對(duì)安全至關(guān)重要的系統(tǒng)，由于爭(zhēng)用處理器內(nèi)核之間共享的資源，多核處理器對(duì)嚴(yán)格的確定性提出了重大挑戰(zhàn)。對(duì)于異構(gòu)內(nèi)核，這一挑戰(zhàn)越來越大，因?yàn)樽顗那闆r下的執(zhí)行時(shí)間可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用程序執(zhí)行的內(nèi)核而有所不同。

為了實(shí)現(xiàn)多核解決方案的吞吐量和功耗優(yōu)勢(shì)，軟件體系結(jié)構(gòu)需要支持可用處理器核的高利用率。必須支持所有多核功能，從啟用內(nèi)核的并發(fā)操作（相對(duì)于將可用內(nèi)核強(qiáng)制進(jìn)入空閑狀態(tài)或在啟動(dòng)時(shí)保持復(fù)位狀態(tài)）到提供確定性負(fù)載平衡的機(jī)制。軟件多處理體系結(jié)構(gòu)越靈活，系統(tǒng)架構(gòu)師就需要更多工具來實(shí)現(xiàn)高利用率。

軟件多處理架構(gòu)         

像多處理器系統(tǒng)一樣，多核處理器上的軟件體系結(jié)構(gòu)可以通過內(nèi)核之間共享和協(xié)調(diào)的數(shù)量來分類。對(duì)于基于多核的系統(tǒng)，最簡(jiǎn)單的軟件體系結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱多處理，其中每個(gè)核獨(dú)立運(yùn)行，每個(gè)核都有自己的操作系統(tǒng)或虛擬機(jī)管理程序/來賓操作系統(tǒng)對(duì)。每個(gè)內(nèi)核運(yùn)行一個(gè)不同的應(yīng)用程序，在調(diào)度方面，內(nèi)核之間很少或根本沒有有意義的協(xié)調(diào)。由于缺乏負(fù)載平衡，難以緩解共享資源爭(zhēng)用以及無法執(zhí)行跨內(nèi)核的協(xié)調(diào)活動(dòng)（如全面的內(nèi)置測(cè)試所需），這種解耦可能導(dǎo)致利用率不足。

AMP的現(xiàn)代替代方案是對(duì)稱多處理（SMP），其中單個(gè)OS控制所有資源，包括哪些應(yīng)用程序線程在哪些內(nèi)核上運(yùn)行。這種架構(gòu)易于編程，因?yàn)樗袃?nèi)核都“對(duì)稱地”訪問資源，從而使OS可以將任何線程分配給任何內(nèi)核。對(duì)于具有異構(gòu)內(nèi)核的處理器（例如i.MX 8QuadMax），不知道應(yīng)用程序?qū)⒃谀姆N類型的內(nèi)核上運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致廣泛的執(zhí)行時(shí)間，從而極大地影響確定性性能。

綁定多處理（BMP）是直接解決該問題的方法，它是SMP的增強(qiáng)形式和受限形式，可以將應(yīng)用程序的任務(wù)/線程靜態(tài)綁定到特定的內(nèi)核。靜態(tài)綁定使系統(tǒng)架構(gòu)師可以嚴(yán)格控制多個(gè)內(nèi)核的并發(fā)操作。

確保確定性行為

除了實(shí)現(xiàn)多核處理器的吞吐量和SWaP目標(biāo)外，安全性至關(guān)重要的系統(tǒng)還需要為每個(gè)應(yīng)用程序維持可預(yù)測(cè)的最壞情況執(zhí)行時(shí)間（WCET）。使用BMP限制與應(yīng)用程序配對(duì)的內(nèi)核類型是確保異構(gòu)系統(tǒng)中確定性行為的重要組成部分。確保確定性的其他技術(shù)是時(shí)間和空間劃分以及管理共享資源的爭(zhēng)用。

在單核處理器中，可以通過在托管應(yīng)用程序之間穩(wěn)健地劃分內(nèi)存空間，在同一處理器上執(zhí)行多個(gè)安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序。內(nèi)存空間分區(qū)將內(nèi)存的非重疊部分專用于在給定時(shí)間運(yùn)行的每個(gè)應(yīng)用程序，這由處理器的內(nèi)存管理單元（MMU）強(qiáng)制執(zhí)行。確定性可以通過使用時(shí)間分區(qū)來進(jìn)一步增強(qiáng)，該方法可以將固定的時(shí)間間隔（稱為主幀）劃分為一系列固定的子間隔（稱為分區(qū)時(shí)間窗口）。每個(gè)應(yīng)用程序都分配了一個(gè)或多個(gè)分區(qū)時(shí)間窗口，窗口的長(zhǎng)度和數(shù)量由應(yīng)用程序的WCET和所需的重復(fù)率驅(qū)動(dòng)。

多核干擾挑戰(zhàn)確定性

在多核環(huán)境中，可以有多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)跨不同的內(nèi)核運(yùn)行。這些并發(fā)的應(yīng)用程序每個(gè)都需要訪問處理器的資源。每個(gè)處理核心都有一些專用資源，但是大多數(shù)資源在處理器核心之間共享，包括內(nèi)存控制器，I / O，共享緩存以及連接它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)多個(gè)處理器內(nèi)核嘗試同時(shí)訪問同一資源時(shí)，將導(dǎo)致這些共享資源的競(jìng)爭(zhēng)。在航空電子設(shè)備等對(duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用中，主要關(guān)注的問題是這種共享資源爭(zhēng)用如何導(dǎo)致一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行的應(yīng)用程序干擾另一內(nèi)核上運(yùn)行的應(yīng)用程序，從而對(duì)確定性，服務(wù)質(zhì)量以及最終的安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。

如果不加以緩解，共享資源爭(zhēng)用的影響可能會(huì)很大。如果只檢查一種共享資源DDR內(nèi)存，則可能會(huì)猜想，當(dāng)另一個(gè)內(nèi)核試圖訪問相同的內(nèi)存并且兩個(gè)內(nèi)核都在運(yùn)行內(nèi)存受限的應(yīng)用程序時(shí)，WCET可能會(huì)加倍。實(shí)際上，由于共享資源仲裁和調(diào)度算法中的非線性行為，WCET可以增加8倍而不是2倍。嘗試訪問DDR存儲(chǔ)器或爭(zhēng)用其他資源（例如片上互連）的其他內(nèi)核可能導(dǎo)致WCET增長(zhǎng)得更大。

多核干擾緩解

緩解多核干擾的一種方法是手動(dòng)調(diào)度應(yīng)用程序以最大程度地減少資源爭(zhēng)用。這種方法不會(huì)消除所有干擾，并且在任何單個(gè)應(yīng)用程序被修改或添加新應(yīng)用程序時(shí)，都需要重新測(cè)試和驗(yàn)證所有應(yīng)用程序。另一種方法是僅安排一個(gè)單一的多任務(wù)應(yīng)用程序一次運(yùn)行。任務(wù)之間仍然會(huì)發(fā)生干擾，但是不會(huì)干擾其他應(yīng)用程序。由于不同核類型上執(zhí)行時(shí)間的變化，這種方法在具有異構(gòu)核的處理器上特別無效。

一種更通用的方法是讓OS管理共享資源爭(zhēng)用。與OS使用硬件MMU通過將不同的內(nèi)存區(qū)域分配給不同的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)空間分區(qū)的方式相同，OS可以在每個(gè)核的基礎(chǔ)上為共享資源分配帶寬。解決OS中的多核干擾為系統(tǒng)集成商提供了有效，靈活和敏捷的解決方案。這還簡(jiǎn)化了新應(yīng)用程序的添加，而無需對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大更改，并減少了重新驗(yàn)證活動(dòng)。