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，對于高性能計算需求越來越大。為了應對日益復雜和不確定的外部環(huán)境，國產(chǎn)嵌入式智能系統(tǒng)更離不開兼顧強實時和高算力的異構(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)對基于智能芯片上的混合關(guān)鍵系統(tǒng)的需求尤為強勁。

混合關(guān)鍵性系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)未來技術(shù)演進的重要方向之一，目前在自主駕駛、服務(wù)機器人、汽車電子等領(lǐng)域已經(jīng)看到一些典型應用，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，北京航空航天大學計算機學院、北京航空航天大學軟件學院、北京航空航天大學杭州創(chuàng)新研究院、中國電子技術(shù)標準化研究院物聯(lián)網(wǎng)研究中心、嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會、《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》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)誼會主題討論會(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)研究與應用” 這一會議主題。主辦方邀請到來自華東師大、湖南大學、中山大學、復旦大學和北京航空航天大學等高校的學者，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)等熱點議題。本次論壇由北航軟件學院院長胡春明致開幕詞，上午會議由嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會秘書長何小慶主持，下午會議由北京航空航天大學計算機學院牛建偉教授主持。

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)探索和應用

嘉楠科技軟件部架構(gòu)設(shè)計經(jīng)理 胡鍇

嘉楠科技是一家深耕AI邊緣側(cè)應用的公司，胡鍇在報告中重點介紹了2023年公司新推出的一顆AI芯片K230，其應用場景主要有門鎖、貓眼、詞典筆、IPC等。胡鍇表示，在芯片開發(fā)之前，公司對這些應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)負責Linux生態(tài)，運行網(wǎng)絡(luò)/存儲/GUI和其他控制類業(yè)務(wù)；大核系統(tǒng)負責快速啟動，運行多媒體（音視頻及AI類）業(yè)務(wù)；低功耗系統(tǒng)負責待機低功耗，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。

胡鍇詳細介紹了K230硬件各個部分的具體功能和軟件架構(gòu)，以及大小核之間是如何進行通信的，并且還詳細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多核計算平臺

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，并實現(xiàn)在自研芯片中，為RISC-V芯片進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算系統(tǒng)。目前，大部分應用在物聯(lián)網(wǎng)落地（嵌入式場景全球出貨累計100億顆），并且已經(jīng)開始向高性能、多核或眾核的計算領(lǐng)域滲透（預測2025年突破800億顆）。賽昉科技成立5年，共推出了4個系列全自研產(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（單板計算機），周杰詳細介紹了這些產(chǎn)品的特點和應用。周杰尤其跟大家分享了賽昉推出的在RISC-V領(lǐng)域的第一個真正意義上的大小核異構(gòu)IP子系統(tǒng)平臺，其最多可支持8個核的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，此平臺將會在驚鴻8100上做驗證。

面向混合關(guān)鍵部署的嵌入式RTOS虛擬化技術(shù)

湖南大學教授、嵌入式與網(wǎng)絡(luò)計算湖南省重點實驗室主任 謝國琪

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

謝老師所在團隊主要在以下幾方面做了工作：Zephyr適配RK3568、Paddle Lite2.6適配Zephyr3.4、嵌入式實時虛擬機ZVM（Zephyr-based Virtual Machine）開發(fā)。ZVM是由湖南大學嵌入式計算省重點實驗室設(shè)計并開發(fā)的虛擬化軟件，該軟件基于實時操作系統(tǒng)Zephyr開發(fā)，可同時啟動Linux與Zephyr這2個Guest OS，從而在同一硬件平臺上實現(xiàn)混合內(nèi)核部署。謝老師還詳細介紹了基于ARM64與Zephyr RTOS的ZVM關(guān)鍵核心技術(shù)實現(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

華東師范大學軟件工程學院教授 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，實現(xiàn)諸如識別、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現(xiàn)其性能，如時間性能，規(guī)定必須完成其功能的時間是3 s還是3 ms。另外，嵌入式系統(tǒng)是將嵌入式軟件復制到特定的芯片上運行，但芯片有面積大小等限制，而實現(xiàn)智能的軟件本身又非常復雜甚至龐大。因而在特定芯片上實現(xiàn)智能功能和性能需要進行軟硬件優(yōu)化配置，分配和調(diào)度哪些任務(wù)由軟件實現(xiàn)（即CPU實現(xiàn)），哪些任務(wù)由硬件實現(xiàn)（即IP核和FPGA上實現(xiàn)），通常情況下，軟件實現(xiàn)慢但成本低，而硬件實現(xiàn)快但成本高，如何在一定約束條件下（如時間約束、硬件面積約束、產(chǎn)品成本約束）科學地配置軟硬件資源實現(xiàn)智能嵌入式系統(tǒng)的性能優(yōu)化，這是一個值得研究和實踐的問題。

陳老師分享了團隊十年來的一些研究成果，首先引進硬件實現(xiàn)（時間）增益概念，在此基礎(chǔ)上分別設(shè)計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，以基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通標識識別系統(tǒng)為例，介紹了在Xilinx公司開發(fā)的ZYNQ-7020可擴展處理器芯片上實現(xiàn)該交通標識識別系統(tǒng)。

智能工業(yè)機器人操作系統(tǒng)及應用探索

北航長聘教授、科技部重點研發(fā)計劃首席專家 牛建偉

國外工業(yè)機器人操作系統(tǒng)相對成熟，在穩(wěn)定性、實時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)機器人發(fā)展迅猛，但依然面臨諸多挑戰(zhàn)。牛老師首先從機器人操作系統(tǒng)發(fā)展及背景介紹了研發(fā)一套自主可控、實時性強的智能機器人操作系統(tǒng)對于我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。

接下來，牛老師詳細分析了機器人為什么需要異構(gòu)多核智能系統(tǒng)，原因有三點：提升基礎(chǔ)算力，構(gòu)建復雜應用；解決“智能”與“實時”的沖突問題；實現(xiàn)高集成度。異構(gòu)多核智能系統(tǒng)發(fā)展中同時面臨以下挑戰(zhàn)：操作系統(tǒng)體系架構(gòu)升級、穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)智能芯片、多核調(diào)度實時性保障技術(shù)、機器人智能算法庫、深度學習編譯框架、操作系統(tǒng)內(nèi)生安全技術(shù)。然后，牛老師介紹了其團隊在機器人智能操作系統(tǒng)的構(gòu)建和應用方面所做的工作。最后，對下一代機器人操作系統(tǒng)進行了展望，要具有高實時性、高可靠性、高安全性、開放性、智能化、跨平臺、組件化。牛教授認為，既輕量化又智能化是機器人未來的發(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)與應用

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

中山大學教授、人工智能與無人系統(tǒng)研究所所長 黃凱

自動駕駛的實現(xiàn)要求在有限的車載計算資源上部署復雜的傳感器數(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。黃老師團隊重點關(guān)注自動駕駛領(lǐng)域的系統(tǒng)資源設(shè)計、管理與調(diào)度問題。

黃老師認為自動駕駛面臨兩方面挑戰(zhàn)：一是可靠性問題，安全對于汽車應用，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，高性能自動駕駛需要車載大量高精度傳感器和配套的實時計算系統(tǒng)，但是車廠其實對成本非常敏感，這也為自動駕駛產(chǎn)品的商業(yè)化和大眾化設(shè)置了非常高的經(jīng)濟門檻。

報告中，黃老師從以下3個方面進行了討論：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)化計算資源的在線調(diào)度以緩解復雜場景中的系統(tǒng)服務(wù)退化并提高資源使用效率；最后，對安全關(guān)鍵系統(tǒng)在自動駕駛領(lǐng)域的應用進行了展望。

RT-Thread 在工業(yè)領(lǐng)域的混合部署實踐

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)的貢獻者和維護者，公司產(chǎn)品目前有兩個方向：開源RT-Thread操作系統(tǒng)和針對安全關(guān)鍵領(lǐng)域的RT-Thread高安全實時操作系統(tǒng)專業(yè)版。邱祎介紹，RT-Thread是可以運行在低端MCU、中高端MCU、MPU、高性能MPU/SoC、眾核異構(gòu)SoC上的全棧計算平臺，生態(tài)完善、適配范圍廣。

接下來，邱祎詳細介紹了基于 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。邱祎認為，同時具備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是一個不同安全等級、實時性要求及用戶體驗與運算能力的集成平臺，可以用于存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、安全顯示、圖形虛擬化和虛擬機間通信， 適合于智能座艙、智能駕駛、智能網(wǎng)關(guān)等應用場景。邱祎表示兩種方案都可以實現(xiàn) RT-Thread+Linux在同一顆SoC芯片上的混合部署運行。

操作系統(tǒng)內(nèi)生安全技術(shù)與應用

復旦大學大數(shù)據(jù)研究院高級工程師 蔣金虎

隨著智能嵌入式設(shè)備日益廣泛應用和聯(lián)網(wǎng)互通，安全問題愈發(fā)凸顯，尤其是系統(tǒng)安全。蔣老師認為，操作系統(tǒng)的內(nèi)生安全是必不可少的一環(huán)。報告中，蔣老師詳細介紹了內(nèi)生安全的多內(nèi)核操作系統(tǒng)設(shè)計，其通過構(gòu)造內(nèi)核級動態(tài)異構(gòu)冗余實現(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)可同時運行多個內(nèi)核，內(nèi)核可具備同構(gòu)或異構(gòu)屬性，內(nèi)核間通過共識機制協(xié)同工作，因此具有冗余性、異構(gòu)性和動態(tài)性，蔣老師對這3種特性進行了詳細講解。

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)安全原理及機制兩方面詳細介紹了多內(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)的具體應用。

實時內(nèi)核UniProton及其混合關(guān)鍵性部署的實踐

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

余德釗從運動控制系統(tǒng)和全球嵌入式OS實際情況出發(fā)，介紹了華為開發(fā)openEuler Embedded的背景：2019年發(fā)布第一個版本，經(jīng)過幾年發(fā)展，目前已經(jīng)成為一個面向全場景的開源社區(qū)，在云計算、服務(wù)器和嵌入式領(lǐng)域都有應用。openEuler Embedded是將openEuler與嵌入式應用場景融合的一個以Linux為中心的綜合嵌入式系統(tǒng)軟件平臺，其適用于任何需要Linux的嵌入式系統(tǒng)。余德釗介紹的UniProton是一款硬實時操作系統(tǒng)，具備極致的us級低時延和靈活的混合關(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，也支持算力強的多核CPU。

余德釗表示，多OS混合部署要解決如下幾個問題：多OS統(tǒng)一構(gòu)建、高效的基礎(chǔ)通信機制、提供服務(wù)化部署。華為針對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)施進行改造。

基于新型編程語言設(shè)計實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核

清華大學計算機系長聘副教授 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，應用領(lǐng)域聚焦于汽車應用。作為CSAE-CCF-CICV車用操作系統(tǒng)與泛在操作系統(tǒng)聯(lián)合實驗室首席科學家的陳渝認為，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)應用中的弊端正逐漸顯現(xiàn)，很多典型漏洞都是因為C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)。這個操作系統(tǒng)在設(shè)計時，細化了內(nèi)核模塊屬性，形成單向依賴、獨立存在的內(nèi)核模塊，因此具有以下特點：與OS無關(guān)的語言級核心庫、獨立OS的組件庫、耦合OS的組件庫、掛接組件的內(nèi)核主干、獨立OS的組件庫無緊耦合依賴關(guān)系、基于配置和靜態(tài)分析進行架構(gòu)優(yōu)化。最后，陳老師進一步分析了如何用Rust編程語言設(shè)計可靈活組合的組件化操作系統(tǒng)內(nèi)核，并對研究計劃和產(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),主辦方邀請到北航軟件學院院長胡春明、華元創(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、中科院沈陽自動化所副研究員張華良，嘉賓針對混合關(guān)鍵系統(tǒng)的工業(yè)應用以及參會者關(guān)心的研發(fā)混合關(guān)鍵系統(tǒng)的主要瓶頸和應用前景等問題進行了熱烈的探討，為國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展獻計獻策。

華元創(chuàng)信、嵌入式與網(wǎng)絡(luò)計算湖南省重點實驗室（湖南大學）、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場展示他們的技術(shù)成果和產(chǎn)品，《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》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)誼會是為嵌入式系統(tǒng)不同學科領(lǐng)域?qū)＜?、學者、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)的機構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會定期組織學術(shù)交流、技術(shù)研討和產(chǎn)業(yè)趨勢等線下和線上會議,并積極參與行業(yè)科技交流活動。