早期嵌入式處理系統(tǒng)通常由一個微控制器和一系列外設構成。這些系統(tǒng)通常用來完成獲取少量數據、處理數據、做出決策、基于決策結果輸出信息等工作。在某些情況下會實現(xiàn)簡單的人機交互接口如讀取鍵盤并顯示結果。處理需求、同時產生需求，以現(xiàn)在的標準來看似乎微不足道?，F(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常需要處理和分析十億字節(jié)級的海量數據，而且常常在確定性和低延時運算上還有一些額外要求。許多應用還要求系統(tǒng)在滿足相關行業(yè)標準的同時可靠符合可靠性和安全性要求。

　　目前，似乎還不可能在單一處理器上同時滿足處理高帶寬數據、執(zhí)行系統(tǒng)應用程序、響應實時請求并滿足行業(yè)安全標準。然而，多核異構芯片卻可以實現(xiàn)這些功能。這樣的設備具有多個處理單元，每一個單元都有能力負責處理一個或多個前述需求，我們稱這樣的設備為異構處理系統(tǒng)。

　　1 什么是異構多處理呢?

　　一個異構多處理系統(tǒng)由不同類型的多個單核心或多核心處理器構成，異構多核處理系統(tǒng)最簡單的形式是由一個多核處理器和GPU組成。然而，現(xiàn)代科技讓一顆芯片上的異構多處理系統(tǒng)包含以下模塊：

　?、俣嗪藨锰幚砥?Multicore Applications Processors);

　?、诙嗪藞D形處理器(Multicore Graphics Processors;

　?、鄱嗪藢崟r處理器(Multicore Real-Time Processors);

　?、芷脚_管理單元(Platform Management Unit);

　　⑤配置和安全系統(tǒng)(Configuration and Security Unit);

　?、拊?a class="contentlabel" href="http://www.antipu.com.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA可編程邏輯上實現(xiàn)特定多核處理器。

　　本文所引用的異構多核處理系統(tǒng)包括上述的多個分類。使用FPGA邏輯實現(xiàn)多核處理器的優(yōu)勢是：它可以創(chuàng)建自定義特殊應用處理器，通過并行Pipes和多Pipeline stages來實現(xiàn)二維并行數據處理，使得在一個時鐘周期里可以完成大量的計算。

　　多核處理器可以設計用來執(zhí)行通用計算或者是專用計算。和通用處理器執(zhí)行相同功能相比較，專用計算在減小硅片封裝、提高單時鐘周期吞吐率、低功耗的同時能實現(xiàn)數據優(yōu)化處理。

　　2 含可編程邏輯的異構處理系統(tǒng)演變

　　Xilinx在2002年推出了第一款帶PowerPC405應用處理器的FPGA，在接下來的FPGA里，Xilinx在單片內集成了更高性能的PowerPC單核或雙核處理器。不像現(xiàn)今產品代的器件處理系統(tǒng)是一個集成的ASSP(包含處理器、互聯(lián)、存儲控制器和外設)，早期產品需要大量的FPGA資源將各部分資源連接在一起形成一個ASSP-like的解決方案。

　　2011年，Xilinx推出了Zynq-7000系列高集成度的器件，它集成了ARM Cortex-A9 MPCore處理器、互聯(lián)單元、內存控制器、外設以及基于Xilinx 7系列FPGA的可編程邏輯。有人肯能會認為Zynq-7000系列是第一代“異構多處理”系統(tǒng)，因為片上的可編程邏輯使得創(chuàng)建和使用專用處理單元成為現(xiàn)實。

　　3 含可編程邏輯的最新一代異構處理系統(tǒng)

　　2015年，Xilinx發(fā)布并且開始供貨新一代異構多處理器件Zynq UltraScale+ MPSoC。之前的器件集成了可編程邏輯和一個或多個應用處理器，Zynq UltraScale+ MPSoC器件集成了：

　?、俣嗪藨锰幚砥鳎核暮?a class="contentlabel" href="http://www.antipu.com.cn/news/listbylabel/label/ARM">ARM Cortex-A53應用處理器;

　?、诙嗪藞D形處理器：雙核ARM Mali-400圖形處理器;

　?、鄱嗪藢崟r處理器：雙核ARM Cortex-R5實時處理器，可同步運行安全性要求苛刻的應用;

　?、芷脚_管理單元：一致性三冗余處理器用于power、錯誤管理和功能安全管理;

　?、菖渲煤桶踩珕卧阂恢滦匀哂嗵幚砥饔糜谙到y(tǒng)配置和安全管理;

　?、轋PGA可編程邏輯：用戶可編程邏輯用于定制處理器、處理單元和外設。

　　多核應用處理器是傳統(tǒng)的用于通用計算的重負載處理器。這些處理器一般工作在SMP模式，運行一個Linux或Andriod操作系統(tǒng)，當然也支持虛擬管理運行多操作系統(tǒng)。

　　圖形處理單元是繼浮點運算單元之后最流行的協(xié)處理器。GPU從應用處理器分擔圖形處理負載，實現(xiàn)復雜的用戶界面和復雜的圖形渲染。對Andriod或Windows CE之類的操作系統(tǒng)而言，這些都是必須的基本功能。通用目的GPU(GPGPU)除了圖形處理，還可以勝任數據陣列通用計算。

　　實時處理器可以低延時響應事件，和應用處理器比較通常也更具確定性。在大多數情況下會運行支持低延時中斷處理和確定性應答的實時操作系統(tǒng)。在功能安全性應用中，實時處理器通常會運行在雙核鎖步模式下，這樣可以檢測雙處理器中一個處理器出現(xiàn)的錯誤。

　　平臺管理單元負責管理關鍵的系統(tǒng)功能和服務。這些功能包括系統(tǒng)錯誤處理、功耗管理和功能安全任務等。作為系統(tǒng)的心臟，該單元不容失敗。因此，這里使用了包含表決邏輯的三冗余處理器，這使得即使有一個處理器核發(fā)生錯誤事件，子系統(tǒng)也可以繼續(xù)運行。

　　配置和安全單元負責系統(tǒng)配置，包括加載處理器第一級Bootloader、可編程邏輯的配置bit stream，程序代碼和bit文件均有可選的加密認證和解密功能。配置和安全單元還可提供持續(xù)的安全監(jiān)控，比如過壓或欠壓、低溫或高溫、試圖提取系統(tǒng)信息訪問等。

　　片上可編程邏輯為異構處理帶來了充分的靈活性。可以通過添加額外的現(xiàn)成的軟核來處理特殊應用的計算任務，也可以在不同層級添加多pipeline和多pipeline stage自定義軟核實現(xiàn)數據流的大規(guī)模并行處理。