混合關(guān)鍵系統(tǒng)助力工業(yè)智能系統(tǒng)蓬勃發(fā)展

嵌入式人工智能快速發(fā)展，對(duì)于高性能計(jì)算需求越來越大。為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和不確定的外部環(huán)境，國產(chǎn)嵌入式智能系統(tǒng)更離不開兼顧強(qiáng)實(shí)時(shí)和高算力的異構(gòu)多核國產(chǎn)智能芯片和國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件。工業(yè)智能系統(tǒng)對(duì)基于智能芯片上的混合關(guān)鍵系統(tǒng)的需求尤為強(qiáng)勁。

混合關(guān)鍵性系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)未來技術(shù)演進(jìn)的重要方向之一，目前在自主駕駛、服務(wù)機(jī)器人、汽車電子等領(lǐng)域已經(jīng)看到一些典型應(yīng)用，在工業(yè)和國防等領(lǐng)域呈現(xiàn)出積極發(fā)展態(tài)勢。

為此，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院、北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院物聯(lián)網(wǎng)研究中心、嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)、《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志社，舉辦了“第五屆國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)主題討論會(huì)(總第29次)”。 本屆論壇聚焦“面向異構(gòu)多核智能芯片的混合關(guān)鍵系統(tǒng)研究與應(yīng)用” 這一會(huì)議主題。主辦方邀請(qǐng)到來自華東師大、湖南大學(xué)、中山大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等高校的學(xué)者，以及來自嘉楠科技、賽昉科技、華為和睿賽德電子等知名企業(yè)專家參與論壇主題演講和嘉賓討論，研討異構(gòu)多核智能芯片和混合關(guān)鍵系統(tǒng)等熱點(diǎn)議題。本次論壇由北航軟件學(xué)院院長胡春明致開幕詞，上午會(huì)議由嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)秘書長何小慶主持，下午會(huì)議由北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院牛建偉教授主持。

論壇上午主題：嵌入式異構(gòu)多核智能芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展

嘉楠K230異構(gòu)多核AIOT芯片架構(gòu)探索和應(yīng)用

嘉楠科技軟件部架構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)理 胡鍇

嘉楠科技是一家深耕AI邊緣側(cè)應(yīng)用的公司，胡鍇在報(bào)告中重點(diǎn)介紹了2023年公司新推出的一顆AI芯片K230，其應(yīng)用場景主要有門鎖、貓眼、詞典筆、IPC等。胡鍇表示，在芯片開發(fā)之前，公司對(duì)這些應(yīng)用場景的特性就已經(jīng)做過分析，并將這些共性-小核系統(tǒng)負(fù)責(zé)Linux生態(tài)，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)/存儲(chǔ)/GUI和其他控制類業(yè)務(wù)；大核系統(tǒng)負(fù)責(zé)快速啟動(dòng)，運(yùn)行多媒體（音視頻及AI類）業(yè)務(wù)；低功耗系統(tǒng)負(fù)責(zé)待機(jī)低功耗，監(jiān)控喚醒源，以及控制normal域電源融入芯片的開發(fā)理念，因此K230內(nèi)集成了分工明確的雙核CPU，并且外圍設(shè)置了高速、低速和安全接口。

胡鍇詳細(xì)介紹了K230硬件各個(gè)部分的具體功能和軟件架構(gòu)，以及大小核之間是如何進(jìn)行通信的，并且還詳細(xì)介紹了處理大小核之間棘手的互斥問題的解決方案。

高性能RISC-V多核計(jì)算平臺(tái)

上海賽昉科技資深銷售總監(jiān) 周杰

賽昉科技主要從事高性能應(yīng)用場景下的RISC-V IP和芯片研發(fā)，以及和底層軟件解決方案，可以提供支持多核的一致性NOC總線的整體解決方案，并實(shí)現(xiàn)在自研芯片中，為RISC-V芯片進(jìn)入高性能場景提供全國產(chǎn)化的硬件核心技術(shù)。

周杰介紹，RISC-V機(jī)構(gòu)相較于其他內(nèi)核架構(gòu)，具有商業(yè)上的自由和技術(shù)上的自由，因此采用其架構(gòu)的廠商具有了創(chuàng)新的自由，而且適用于所有的計(jì)算系統(tǒng)。目前，大部分應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)落地（嵌入式場景全球出貨累計(jì)100億顆），并且已經(jīng)開始向高性能、多核或眾核的計(jì)算領(lǐng)域滲透（預(yù)測2025年突破800億顆）。賽昉科技成立5年，共推出了4個(gè)系列全自研產(chǎn)品—昉﹒天樞（RISC-V CPU IP）、昉﹒星鏈（Interconnect IP）、昉﹒驚鴻7110（芯片）和昉﹒星光2（單板計(jì)算機(jī)），周杰詳細(xì)介紹了這些產(chǎn)品的特點(diǎn)和應(yīng)用。周杰尤其跟大家分享了賽昉推出的在RISC-V領(lǐng)域的第一個(gè)真正意義上的大小核異構(gòu)IP子系統(tǒng)平臺(tái)，其最多可支持8個(gè)核的CPU系統(tǒng)，并且除了支持CPU的一致性，還可以支持I/O的一致性，此平臺(tái)將會(huì)在驚鴻8100上做驗(yàn)證。

面向混合關(guān)鍵部署的嵌入式RTOS虛擬化技術(shù)

湖南大學(xué)教授、嵌入式與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任 謝國琪

隨著嵌入式設(shè)備性能的提升，當(dāng)前復(fù)雜嵌入式開發(fā)存在富功能（數(shù)據(jù)可視化、場景可視化）與硬實(shí)時(shí)（精準(zhǔn)控制）的雙重需求，而基于操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的混合關(guān)鍵部署是實(shí)現(xiàn)上述雙重需求的方案之一。謝老師詳細(xì)介紹了Zephyr RTOS，這是一款Linux基金會(huì)下的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持超過13種硬件架構(gòu)，是一個(gè)產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用，發(fā)布了40個(gè)release版本，具有良好的實(shí)時(shí)性和安全性，支持多種嵌入式場景下的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。謝老師認(rèn)為Zephyr既可以是一個(gè)宏內(nèi)核，也可以是一個(gè)微內(nèi)核，這取決于客戶在應(yīng)用中的配置。

謝老師所在團(tuán)隊(duì)主要在以下幾方面做了工作：Zephyr適配RK3568、Paddle Lite2.6適配Zephyr3.4、嵌入式實(shí)時(shí)虛擬機(jī)ZVM（Zephyr-based Virtual Machine）開發(fā)。ZVM是由湖南大學(xué)嵌入式計(jì)算省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并開發(fā)的虛擬化軟件，該軟件基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Zephyr開發(fā)，可同時(shí)啟動(dòng)Linux與Zephyr這2個(gè)Guest OS，從而在同一硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)混合內(nèi)核部署。謝老師還詳細(xì)介紹了基于ARM64與Zephyr RTOS的ZVM關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)與開發(fā)規(guī)劃。

智能嵌入式系統(tǒng)軟硬件優(yōu)化配置方法

華東師范大學(xué)軟件工程學(xué)院教授 陳儀香

智能嵌入式系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)融入到嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)諸如識(shí)別、判斷、推理、決策等智能功能。陳老師介紹，智能嵌入式系統(tǒng)除完成其功能外還需要實(shí)現(xiàn)其性能，如時(shí)間性能，規(guī)定必須完成其功能的時(shí)間是3 s還是3 ms。另外，嵌入式系統(tǒng)是將嵌入式軟件復(fù)制到特定的芯片上運(yùn)行，但芯片有面積大小等限制，而實(shí)現(xiàn)智能的軟件本身又非常復(fù)雜甚至龐大。因而在特定芯片上實(shí)現(xiàn)智能功能和性能需要進(jìn)行軟硬件優(yōu)化配置，分配和調(diào)度哪些任務(wù)由軟件實(shí)現(xiàn)（即CPU實(shí)現(xiàn)），哪些任務(wù)由硬件實(shí)現(xiàn)（即IP核和FPGA上實(shí)現(xiàn)），通常情況下，軟件實(shí)現(xiàn)慢但成本低，而硬件實(shí)現(xiàn)快但成本高，如何在一定約束條件下（如時(shí)間約束、硬件面積約束、產(chǎn)品成本約束）科學(xué)地配置軟硬件資源實(shí)現(xiàn)智能嵌入式系統(tǒng)的性能優(yōu)化，這是一個(gè)值得研究和實(shí)踐的問題。

陳老師分享了團(tuán)隊(duì)十年來的一些研究成果，首先引進(jìn)硬件實(shí)現(xiàn)（時(shí)間）增益概念，在此基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的智能嵌入式系統(tǒng)多核調(diào)度算法；同時(shí)，以基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通標(biāo)識(shí)識(shí)別系統(tǒng)為例，介紹了在Xilinx公司開發(fā)的ZYNQ-7020可擴(kuò)展處理器芯片上實(shí)現(xiàn)該交通標(biāo)識(shí)識(shí)別系統(tǒng)。

智能工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)及應(yīng)用探索

北航長聘教授、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席專家 牛建偉

國外工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)相對(duì)成熟，在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和控制精度方面處于領(lǐng)先地位，但存在各自為政、互不兼容的局面。近幾年，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迅猛，但依然面臨諸多挑戰(zhàn)。牛老師首先從機(jī)器人操作系統(tǒng)發(fā)展及背景介紹了研發(fā)一套自主可控、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的智能機(jī)器人操作系統(tǒng)對(duì)于我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。

接下來，牛老師詳細(xì)分析了機(jī)器人為什么需要異構(gòu)多核智能系統(tǒng)，原因有三點(diǎn)：提升基礎(chǔ)算力，構(gòu)建復(fù)雜應(yīng)用；解決“智能”與“實(shí)時(shí)”的沖突問題；實(shí)現(xiàn)高集成度。異構(gòu)多核智能系統(tǒng)發(fā)展中同時(shí)面臨以下挑戰(zhàn)：操作系統(tǒng)體系架構(gòu)升級(jí)、穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)智能芯片、多核調(diào)度實(shí)時(shí)性保障技術(shù)、機(jī)器人智能算法庫、深度學(xué)習(xí)編譯框架、操作系統(tǒng)內(nèi)生安全技術(shù)。然后，牛老師介紹了其團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人智能操作系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用方面所做的工作。最后，對(duì)下一代機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行了展望，要具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高安全性、開放性、智能化、跨平臺(tái)、組件化。牛教授認(rèn)為，既輕量化又智能化是機(jī)器人未來的發(fā)展方向。

論壇下午主題：混合關(guān)鍵系統(tǒng)的操作系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用

面向自動(dòng)駕駛的安全關(guān)鍵系統(tǒng)資源管理與調(diào)度技術(shù)研究

中山大學(xué)教授、人工智能與無人系統(tǒng)研究所所長 黃凱

自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)要求在有限的車載計(jì)算資源上部署復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)處理和駕駛決策，并滿足駕駛系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。黃老師團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的系統(tǒng)資源設(shè)計(jì)、管理與調(diào)度問題。

黃老師認(rèn)為自動(dòng)駕駛面臨兩方面挑戰(zhàn)：一是可靠性問題，安全對(duì)于汽車應(yīng)用，是首先要考慮的因素，如果安全事故常有發(fā)生，那么圍繞自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的訴訟和糾紛難以徹底理清；二是成本問題，高性能自動(dòng)駕駛需要車載大量高精度傳感器和配套的實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)，但是車廠其實(shí)對(duì)成本非常敏感，這也為自動(dòng)駕駛產(chǎn)品的商業(yè)化和大眾化設(shè)置了非常高的經(jīng)濟(jì)門檻。

報(bào)告中，黃老師從以下3個(gè)方面進(jìn)行了討論：首先，探討如何優(yōu)化關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；其次，探索如何優(yōu)化計(jì)算資源的在線調(diào)度以緩解復(fù)雜場景中的系統(tǒng)服務(wù)退化并提高資源使用效率；最后，對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

RT-Thread 在工業(yè)領(lǐng)域的混合部署實(shí)踐

睿賽德科技聯(lián)合創(chuàng)始人 邱祎

睿賽德是RT-Thread開源操作系統(tǒng)的貢獻(xiàn)者和維護(hù)者，公司產(chǎn)品目前有兩個(gè)方向：開源RT-Thread操作系統(tǒng)和針對(duì)安全關(guān)鍵領(lǐng)域的RT-Thread高安全實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)專業(yè)版。邱祎介紹，RT-Thread是可以運(yùn)行在低端MCU、中高端MCU、MPU、高性能MPU/SoC、眾核異構(gòu)SoC上的全棧計(jì)算平臺(tái)，生態(tài)完善、適配范圍廣。

接下來，邱祎詳細(xì)介紹了基于 RT-Thread 的混合部署方案，包括RT-Thread Fusion和vmRT-Thread Hyperviser。RT-Thread Fusion是基于OpenAMP的多OS混合部署方案，適用于多核異構(gòu)處理器和多核同構(gòu)處理器。邱祎認(rèn)為，同時(shí)具備ARM核和RISC-V核的芯片正在逐步出現(xiàn)，因此OpenAMP是搭建起異構(gòu)系統(tǒng)間軟通信的一座橋梁，會(huì)讓Cortex-A+Cortex-M/R或RISC-V處理器在使用上更便利，甚至感受不到異構(gòu)的存在，可以在多系統(tǒng)間融合。vmRT-Thread Hyperviser是一個(gè)不同安全等級(jí)、實(shí)時(shí)性要求及用戶體驗(yàn)與運(yùn)算能力的集成平臺(tái)，可以用于存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、安全顯示、圖形虛擬化和虛擬機(jī)間通信， 適合于智能座艙、智能駕駛、智能網(wǎng)關(guān)等應(yīng)用場景。邱祎表示兩種方案都可以實(shí)現(xiàn) RT-Thread+Linux在同一顆SoC芯片上的混合部署運(yùn)行。

操作系統(tǒng)內(nèi)生安全技術(shù)與應(yīng)用

復(fù)旦大學(xué)大數(shù)據(jù)研究院高級(jí)工程師 蔣金虎

隨著智能嵌入式設(shè)備日益廣泛應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)互通，安全問題愈發(fā)凸顯，尤其是系統(tǒng)安全。蔣老師認(rèn)為，操作系統(tǒng)的內(nèi)生安全是必不可少的一環(huán)。報(bào)告中，蔣老師詳細(xì)介紹了內(nèi)生安全的多內(nèi)核操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其通過構(gòu)造內(nèi)核級(jí)動(dòng)態(tài)異構(gòu)冗余實(shí)現(xiàn)擬態(tài)安全，能有效抵御功能故障和網(wǎng)絡(luò)攻擊。此架構(gòu)可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)內(nèi)核，內(nèi)核可具備同構(gòu)或異構(gòu)屬性，內(nèi)核間通過共識(shí)機(jī)制協(xié)同工作，因此具有冗余性、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性，蔣老師對(duì)這3種特性進(jìn)行了詳細(xì)講解。

為了讓聽眾知其然且知其所以然，蔣老師還從功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全原理及機(jī)制兩方面詳細(xì)介紹了多內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)生安全原理。最后以星載系統(tǒng)為例，介紹了內(nèi)生安全的多內(nèi)核操作系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

實(shí)時(shí)內(nèi)核UniProton及其混合關(guān)鍵性部署的實(shí)踐

華為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜?nbsp;余德釗

余德釗從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和全球嵌入式OS實(shí)際情況出發(fā)，介紹了華為開發(fā)openEuler Embedded的背景：2019年發(fā)布第一個(gè)版本，經(jīng)過幾年發(fā)展，目前已經(jīng)成為一個(gè)面向全場景的開源社區(qū)，在云計(jì)算、服務(wù)器和嵌入式領(lǐng)域都有應(yīng)用。openEuler Embedded是將openEuler與嵌入式應(yīng)用場景融合的一個(gè)以Linux為中心的綜合嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)，其適用于任何需要Linux的嵌入式系統(tǒng)。余德釗介紹的UniProton是一款硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具備極致的us級(jí)低時(shí)延和靈活的混合關(guān)鍵性部署特性，可以高效地與以openEuler Embedded為代表的通用OS混合部署，適用于工業(yè)控制場景，既能支持微控制器MCU，也支持算力強(qiáng)的多核CPU。

余德釗表示，多OS混合部署要解決如下幾個(gè)問題：多OS統(tǒng)一構(gòu)建、高效的基礎(chǔ)通信機(jī)制、提供服務(wù)化部署。華為針對(duì)這些問題也做了很多工作，現(xiàn)在openEuler Embedded 能夠接納不同的RTOS，更好地幫助基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造。

基于新型編程語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系長聘副教授 陳渝

陳老師指出操作系統(tǒng)是具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵信息系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，陳老師研究操作系統(tǒng)多年，技術(shù)上側(cè)重于操作系統(tǒng)的安全性，應(yīng)用領(lǐng)域聚焦于汽車應(yīng)用。作為CSAE-CCF-CICV車用操作系統(tǒng)與泛在操作系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家的陳渝認(rèn)為，目前操作系統(tǒng)大部分是采用C語言開發(fā)的，但是這么多年過去，C語言在開發(fā)操作系統(tǒng)應(yīng)用中的弊端正逐漸顯現(xiàn)，很多典型漏洞都是因?yàn)镃語言，因此不斷有新的編程語言嘗試重構(gòu)操作系統(tǒng)，比如Ocaml、C#、Go、Rust等，而安全是新一代編程語言試圖代替C語言的重要因素。

近幾年，陳老師一直致力于研究Rust語言，提出了基于Rust的可擴(kuò)展操作系統(tǒng)安全架構(gòu)，與現(xiàn)有的OS相比，能夠提供更多層次的安全保障能力，為構(gòu)建自主可控IT生態(tài)奠定OS基礎(chǔ)。這個(gè)操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，細(xì)化了內(nèi)核模塊屬性，形成單向依賴、獨(dú)立存在的內(nèi)核模塊，因此具有以下特點(diǎn)：與OS無關(guān)的語言級(jí)核心庫、獨(dú)立OS的組件庫、耦合OS的組件庫、掛接組件的內(nèi)核主干、獨(dú)立OS的組件庫無緊耦合依賴關(guān)系、基于配置和靜態(tài)分析進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化。最后，陳老師進(jìn)一步分析了如何用Rust編程語言設(shè)計(jì)可靈活組合的組件化操作系統(tǒng)內(nèi)核，并對(duì)研究計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)落地情況做了介紹。

討論環(huán)節(jié)：思想碰撞，精彩紛呈

在討論環(huán)節(jié),主辦方邀請(qǐng)到北航軟件學(xué)院院長胡春明、華元?jiǎng)?chuàng)信高端裝備系統(tǒng)部長黃河、科東軟件研發(fā)副總經(jīng)理殷燦菊、中科院沈陽自動(dòng)化所副研究員張華良，嘉賓針對(duì)混合關(guān)鍵系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用以及參會(huì)者關(guān)心的研發(fā)混合關(guān)鍵系統(tǒng)的主要瓶頸和應(yīng)用前景等問題進(jìn)行了熱烈的探討，為國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

華元?jiǎng)?chuàng)信、嵌入式與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)）、麥克泰技術(shù)、嘉楠科技和北航杭州創(chuàng)新研究院等單位在會(huì)場展示他們的技術(shù)成果和產(chǎn)品，《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志社、北航出版社、睿賽德科技、科東軟件以及陳儀香和何小慶老師在會(huì)場展示了他們最新的圖書、雜志和產(chǎn)品資料，供聽眾近距離交流。

嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)是為嵌入式系統(tǒng)不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者、工程技術(shù)和媒體人士提供技術(shù)與產(chǎn)業(yè)信息交流 的科技沙龍性質(zhì)的機(jī)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)定期組織學(xué)術(shù)交流、技術(shù)研討和產(chǎn)業(yè)趨勢等線下和線上會(huì)議,并積極參與行業(yè)科技交流活動(dòng)。