AMP STATT SMP EIN 64-BIT-MIKROPROZESSOR FÜR SERIENMÄSSIGES IOT
25.03.2026 Von Venki Narayanan* 7 min Lesedauer
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Wie Multi-Hart-RISC-V (PIC64GX) Linux und RTOS im gleichen Coreplex vereint,
Cache-Jitter über LIM entschärft und Edge-KI sowie sicherheitskritische
Steuerungen deterministisch auf einem Chip ermöglicht.
Moderne Systeme werden immer komplexer und erfordern vielfältige
Rechnerarchitekturen, um die Arbeitslast zu bewältigen. Maschinelles Lernen ()
und künstliche Intelligenz () am Netzwerkrand (Edge) – häufig auf einem
Linux-Betriebssystem – erhöhen dabei die Komplexität des Enddesigns.
Sicherheitskritische Anwendungen, Systemsteuerungen und Sicherheitsanwendungen
benötigen die Flexibilität von Linux und den Determinismus von Echtzeitsystemen,
um Hardware zu steuern. Dies treibt die Nachfrage nach Multi-Hart-Systemen an,
in denen mehrere Hardware-Threads („Harts“ in der RISC-V-Terminologie) die
gleichzeitige Ausführung unterschiedlicher Workloads ermöglichen.
Symmetrisches Multiprocessing (SMP) bietet zwar die Flexibilität, umfangreiche
Betriebssysteme auszuführen, ist aber oft nicht in der Lage, die von
Echtzeitsystemen geforderte deterministische Leistung zu liefern. Im Gegensatz
dazu ermöglicht asymmetrisches Multiprocessing (AMP) eine aufgabenspezifische
Optimierung, indem Workloads auf verschiedene Verarbeitungseinheiten verteilt
werden – allerdings kann die Umsetzung dieses Ansatzes komplexer sein.
Um dem zu begegnen, nutzt Microchip einen Cluster von RISC-V-Harts innerhalb
eines einzigen CPU-Coreplex für eine Chip-Architektur, die AMP in einer Vielzahl
industrieller und Edge-KI-Anwendungen unterstützt. Die MPU PIC64GX integriert
einen Linux-fähigen Prozessor mit mehreren Harts in einem einzigen Komplex, der
mit dem Speichersubsystem kohärent ist. Dies ermöglicht eine Kombination aus
deterministischen Echtzeitsystemen und dem Linux-Betriebssystem in einem
einzigen CPU-Cluster, was AMP für gängige industrielle Bildverarbeitungs- und
Edge-KI-Anwendungen ermöglicht. Zudem vereinfacht sich die Entwicklung von Code,
der auf Echtzeitbetriebssystemen, Linux oder sogar direkt auf Hardware (Bare
Metal) ausgeführt werden kann.
In Echtzeit-Verarbeitungs- und Steuerungssystemen ermöglicht AMP die Zuweisung
dedizierter Verarbeitungseinheiten für zeitkritische Aufgaben, was vorhersagbare
Leistung und geringe Latenz gewährleistet. Die Linux-Prozessplanung erfolgt in
der Regel nicht in Echtzeit und weist erhebliche und unvorhersehbare
Interrupt-Latenzen auf. AMP ermöglicht Workloads mit harten
Echtzeitanforderungen, ein RTOS für kritische Steuerungsaufgaben auszuführen,
während Anwendungen auf Linux auf einem anderen Core weiterlaufen.
Obwohl Caches die Leistung steigern, können Cache-Fehler zu Ausführungsjitter
und unvorhersehbaren Latenzen mit nicht deterministischem Verhalten führen. Die
PIC64GX-MPU verhindert dies, indem sie die Ausführung von Echtzeitkontexten im
lose integrierten Speicher (LIM; Loosely Integrated Memory) ausführt und so
cache-bedingten Nicht-Determinismus vermeidet. Dies sorgt für effiziente
Pipelines, insbesondere für KI- und ML-Workloads, die minimale
Verarbeitungszeiten erfordern.
Das System basiert auf einem E51-64-Bit-RV64IMAC-Prozessor-Core (600 MHz) als
Systemmonitor mit 16 KB Speicher, der als bidirektionaler
L1-Fehlerkorrektur-Befehlscache oder eng integrierter Speicher dienen kann, 8 KB
eng integriertem Datenspeicher und einer PMP-Einheit für die
Anwendungsverarbeitung.
Das Herzstück des Systems ist der Core-Komplex aus vier
U54-64-Bit-RV64GC-Anwendungsprozessoren mit einer maximalen Betriebsfrequenz von
600 MHz. Jeder Prozessor bietet eine Leistung von 3,1 CoreMarks/MHz und 1,7
DMIPs/MHz. Es handelt sich um denselben Cluster, der auch im
PolarFire-System-on-Chip-/SoC-FPGA verwendet wird, was ein zuverlässiges
Multicore-Subsystem und ein gut etabliertes Ökosystem von Tools mit sich bringt.
Ein fünfter Hart übernimmt die Überwachungsfunktionen für den Chip, steht aber
auch für die direkte Ausführung von Echtzeit- oder Bare-Metal-Workloads zur
Verfügung.
Das L1-Speichersubsystem umfasst einen 32 KiB großen 8-Wege-Befehlscache oder
optional einen 28 KiB großen, eng integrierten Speicher sowie einen 32 KiB
großen 8-Wege-Datencache. Zusätzlich sind eine PMP-Einheit (Physical Memory
Protection) und eine MMU (Memory Management Unit) vorhanden. Das
Speichersubsystem verfügt über mehrere Funktionen, darunter 2 MiB L2-Speicher
mit verschiedenen Zugriffsmodi, einen integrierten Speichercontroller, der
verschiedene DDR-Versionen unterstützt, eine Speicherschutzeinheit und
nichtflüchtigen Embedded-Speicher für sichere Boot-Optionen.
Die cache-kohärente CPU-Bus-Matrix und das flexible 2MiB-L2-Speichersubsystem
sind für den AMP-Betrieb entscheidend. Der fehlerkorrigierte Speicher ist als
16-Wege-assoziativer L2-Cache mit einem LIM-Modus für deterministischen Zugriff
und einem kohärenten Scratchpad-Speichermodus für gemeinsam genutzte Nachrichten
über Harts hinweg konfigurierbar.
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Stand: 08.12.2025
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ich in der .
Ein integrierter 36-Bit-DDR4/LPDDR4-Speichercontroller mit Fehlerkorrektur
unterstützt DDR4 mit 1,6 GBit/s und einem Adressraum von 8 GiB mit
Speicherschutz und 128 KiB nichtflüchtigem Embedded-Speicher (eNVM) für den
Startvorgang. Dies ermöglicht eine vollständig flexible Konfiguration beim Start
für die Partitionierung in Echtzeitbetrieb oder Linux-Harts mit
L2-Cache-Unterstützung.
ASYMMETRISCHES MULTIPROCESSING (AMP) IMPLEMENTIEREN
In RISC-V werden Verarbeitungseinheiten als Hardware-Threads oder Harts
bezeichnet, und jeder Hart in der PIC64GX-MPU stellt einen unabhängigen
Ausführungskontext dar, der sein eigenes Betriebssystem oder seine eigene
Bare-Metal-Workload ausführen kann. Der Quad-Hart-Anwendungscluster kann so
konfiguriert werden, dass er bis zu zwei unabhängige Softwarekontexte ausführt.
Jedem Kontext können ein eigenes Betriebssystem, eigene Speicherbereiche und
eigene Hardware-Ressourcen zugewiesen werden. Die Hardware verhindert durch
Hardware-Trennung den Zugriff auf Ressourcen anderer Kontexte. Verstöße werden
von den Hart Software Services (HSS) erkannt und behandelt, während der
E51-Monitor-Hart für die Ausführung der HSS-Firmware vorgesehen ist.
Dieser HSS ist ein Zero-Stage-Bootloader sowie Systemmonitor, und er bietet
Laufzeitdienste für Anwendungen an. HSS unterstützt das frühe System-Setup, das
DDR-Training und die Hardware-Initialisierung/-Konfiguration. Der Service läuft
hauptsächlich auf dem E51, wobei ein kleiner Teil der Funktionen auf
Maschinenebene auf jedem U54 ausgeführt wird. Er bootet einen oder mehrere
Kontexte, indem er eine Anwendungs-Workload aus dem Boot-Speicher lädt, bei dem
es sich um den On-Chip-NVM handeln kann. Anschließend werden
Plattform-Laufzeitdienste bzw. eine Supervisor Execution Environment (SEE) für
Betriebssystem-Cores bereitgestellt. Der Core unterstützt Secure Boot und ist
eine wichtige Komponente, um Hardware-Partitionierung/-Trennung für AMP-Kontexte
bereitzustellen.
Dies wird zur Konfiguration des Quad-Hart-Komplexes verwendet. Der Komplex lässt
sich z. B. so konfigurieren, dass Linux auf drei der U54-Harts und das auf dem
verbleibenden Hart ausgeführt wird. Peripherie kann einem der beiden Kontexte
zugewiesen werden.
Ein offenes Standard-Software-Framework namens OpenAMP stellt die
Softwarekomponenten für die Entwicklung von Softwareanwendungen auf AMP-Systemen
bereit. Wichtige Elemente hierfür sind Remote Processor Messaging (RPMsg) und
Remote Processor (remoteProc), um die Workloads auf die beiden AMP-Kontexte
aufzuteilen, damit diese problemlos miteinander kommunizieren können.
DESIGN-TIPPS
AMP-Workloads unterstützen fortschrittliche Designs und bestehen aus mehreren
Software-Komponenten, die zusammenarbeiten. Durch Hardware-Partitionierung
ermöglicht AMP gemischte kritische Workloads, um Echtzeitanforderungen und
-beschränkungen zu erfüllen.
Entwickler müssen sich auf die Speicherkarte und das Speicherlayout von
PIC64GX-MPUs, die Kommunikationsmethoden RPmsg und RPmsg-lite sowie die
Ressourcenverwaltung konzentrieren, die die exklusive Zuweisung von Speicher
und/oder Peripherie zu einem bestimmten Kontext umfasst.
Anwendungen benötigen einen transparenten Kommunikationskanal zwischen den
Kontexten, der RPmsg über den gemeinsamen Speicher verwendet und eine klare
Definition der zu übermittelnden Nachrichten enthält. Aufgaben müssen
partitioniert werden, um Workloads effektiv in überschaubare Einheiten
aufzuteilen, die von verschiedenen Verarbeitungseinheiten effizient ausgeführt
werden können. Jeder Hart muss über ausreichende Speicherressourcen und einen
minimalen Datentransfer zwischen ihnen verfügen, um die Latenz zu reduzieren und
die Parallelität zu maximieren. Das HSS fungiert als Systemmonitor und meldet
Busfehler, ECC-Fehler und schwerwiegende Ausnahmen, die vom U54 festgestellt
werden.
PERIPHERIE UND SECURITY
Die PIC64GX-Reihe von Multi-Hart-Prozessoren enthält Gigabit-Ethernet-MACs für
schnelle Verbindungen sowie USB 2.0 OTG und
5.1-SD/SDIO-MMC-Kartenschnittstellen. Zwei CAN-2.0-Ports mit fünf
Multimode-UARTs, zwei SPI- und zwei I2C-Schnittstellen sowie ein
Execute-in-Place-Quad-SPI-Flash-Controller sind ebenfalls vorhangen, genauso wie
ein integrierter x1- oder x4-PCIe-Gen2-Root-Port.
Das System verfügt über verschiedene Sicherheitsfunktionen, die robusten Schutz
vor Bedrohungen bieten. Integrierte Dual-PUF (Physically Unclonable Function)
bildet die Grundlage für eine Root of Trust für Verschlüsselungsschlüssel. Der
Chip verfügt über 56 KiB sicheren nichtflüchtigen Speicher (sNVM) und 128 KiB
nichtflüchtigen Embedded-Speicher (eNVM). Das Design bietet auch integrierte
Manipulationserkennung und Gegenmaßnahmen, Integritätsprüfungen für die sNVM-
und eNVM-Speicherblöcke sowie Widerstandsfähigkeit gegen
Differential-Power-Analysis-/DPA-Angriffe, die zum Abfangen von Schlüsseln
missbraucht werden.
ANWENDUNGEN UND TOOLCHAIN
PIC64GX-MPUs sind für Single-Board-Embedded-Computing, Motorsteuerung,
Echtzeit-Computing, Bildverarbeitung und KI/ML-Anwendungen konzipiert. Sie
können für die Sensoraggregation und KI-Inferenz verwendet werden, indem ein
Echtzeitbetriebssystem in einem einzigen Kontext ausgeführt wird.
Sensoren lassen sich über Schnittstellenperipherie wie SPI und I2C einfach an
die PIC64GX-MPU anschließen. Das Echtzeitbetriebssystem kann dann Sensordaten
verarbeiten, und Kommunikationsblöcke wie UART oder CAN können Daten oder
Zusammenfassungen je nach Bedarf auf Basis von Edge-Computing übertragen.
Für Embedded-Bildverarbeitung kann ein separater Linux-Kontext die
Objektidentifizierung, Klassifizierung und das Video-Streaming über
Schnittstellen wie Ethernet bereitstellen – alles auf demselben Chip mithilfe
der AMP-Funktion. Dies ermöglicht kleinere, kostengünstigere Designs in
industriellen oder medizinischen Anwendungen.
AMP in industriellen KI-Anwendungen wird immer komplexer. Die PIC64GX-MPU
verfügt über eine Toolchain mit Build-Systemen für Linux und Open-Source-RTOS,
und andere Anbieter für die Entwicklung sicherheitskritischer Systeme. MPLAB
Extensions bieten Konfigurierbarkeit und erleichtern die Migration von anderen
Microchip-Prozessoren, darunter auch die Hart Software Services (HSS), die den
Quellcode für den HSS Zero Stage Bootloader und den Systemmonitor bereitstellen.
Upstream-Support innerhalb des Zephyr-RTOS-Ökosystems und des Yocto Project
Linux Board Support Packages (BSP) steht bereit. Ein Buildroot-basiertes
Linux-Build-System verwendet den Linux4Microchip-Kernel, und Ubuntu Linux wird
ab 2024.10 unterstützt. Dies umfasst alle Treiber, einschließlich der für die
Entwicklung notwendigen Peripherie. Informationen zu Tools und Systemen .
Der Cluster ist Teil des etablierten Mi-V-Ökosystems, das auch Tools von
Lauterbach und Ashling unterstützt. Das System verfügt über
JTAG-Debug-Funktionen mit zehn Hardware-Triggern pro CPU, die als Breakpoints
oder Watchpoints und Leistungszähler konfiguriert werden können.
PIC64GX-MPUs wurden speziell für AMP in intelligenten Embedded-Edge-Anwendungen
entwickelt, die gemischte Kritikalität erfordern. Ein robuster, bewährter
Cluster aus vier 64-Bit-RISC-V-Cores innerhalb eines einzigen Coreplex kann beim
Booten sicher konfiguriert werden, um ein Echtzeitbetriebssystem neben einem
Linux-Betriebssystem auszuführen. Dies ermöglicht optimierte
Bildverarbeitungs-Pipelines mit KI-Inferenz und Echtzeitleistung. Mit einer
ausgereiften Toolchain unterstützt die PIC64GX-MPU Entwickler von
Embedded-Systemen, die zuverlässige komplexe Anwendungen in den Bereichen
Industrie, KI/ML und Echtzeit erstellen wollen. Dies optimiert das Design und
sorgt für eine schnellere Markteinführung ihrer Produkte.
Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal .
* Venki Narayanan ist Director Marketing der FPGA Business Unit bei Microchip
Technology
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