雙核實(shí)時系統(tǒng)的架構(gòu)方法

 1.引言

嵌入式技術(shù)的不斷成熟以及業(yè)界對工業(yè)設(shè)備小型化、個性化需求的不斷提高促使越來越多的工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。工業(yè)設(shè)備控制最大的特點(diǎn)是對系統(tǒng)實(shí)時性要求較高。而通常情況下，控制過程中常常同時存在多種不同實(shí)時性要求的任務(wù)，不同任務(wù)對處理器時間的占用比例也有較大差異，因此如何有效的滿足并提高系統(tǒng)實(shí)時性能成為研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)單核處理器架構(gòu)是主流，除了通過提升處理器主頻來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還通過使用搶占式實(shí)時操作系統(tǒng)，引入多線程，改進(jìn)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度策略等軟件方法來進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。但隨著應(yīng)用不斷復(fù)雜，控制精度要求不斷提高，有限的系統(tǒng)資源成為控制系統(tǒng)性能提升的最大瓶頸。

針對單CPU架構(gòu)的局限性，多處理器系統(tǒng)的研究應(yīng)用逐漸增多，文獻(xiàn)[1]采用FPGA 和多個DSP 互連的并行處理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一個高速數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低延遲且計算性能強(qiáng)大的實(shí)時圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于ARM的雙CPU協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。文獻(xiàn)[3]采用ARM+DSP的主從式雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了嵌入式運(yùn)動控制器。文獻(xiàn)[4]分析比較了幾種典型的嵌入式雙核通信接口，并介紹了典型接口的設(shè)計要點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]在單核嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種基于對稱通信的雙核處理器嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架，解決了異構(gòu)雙核處理器中的通信效率和共享內(nèi)存的利用問題。隨著雙核架構(gòu)應(yīng)用的不斷推廣，同時雙核微處理器技術(shù)逐漸成熟，如何設(shè)計穩(wěn)定高效的系統(tǒng)軟件架構(gòu)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文以F28M35雙核系統(tǒng)為例，介紹了一種以IPC通信機(jī)制為核心，基于共享內(nèi)存的雙核軟件架構(gòu)方法。

2.雙核間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完成雙核間的數(shù)據(jù)通信，除了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)——共享內(nèi)存外，還需要系統(tǒng)提供一套雙核間交互的信號機(jī)制。通常該信號機(jī)制中同時包括中斷信號和非中斷信號。利用該信號機(jī)制，結(jié)合共享內(nèi)存，可設(shè)計出各種靈活的通信方式。

從通信信號的角度，通信方式可分為輪詢方式和中斷方式。由于輪詢方式使內(nèi)核處于忙等的狀態(tài)，因此應(yīng)盡量避免使用，該方式多用于雙核之間事件需嚴(yán)格按照一定的順序執(zhí)行的情況，例如系統(tǒng)啟動時雙核之間的初始化交互。

從攜帶數(shù)據(jù)量的角度講，雙核之間可僅僅利用信號機(jī)制完成通信，雙方協(xié)定默認(rèn)的操作；另外，也是大部分時候的通信方式，雙方通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，該方式在設(shè)計時，將共享內(nèi)存劃分為兩種屬性的內(nèi)存區(qū)，分別用于兩個方向的數(shù)據(jù)傳遞。一種內(nèi)存允許一個內(nèi)核進(jìn)行讀寫操作，而允許另外一個內(nèi)核進(jìn)行只讀操作，另一種則方向相反。例如，A內(nèi)核欲向B內(nèi)核發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)寫入A核空間內(nèi)的共享內(nèi)存區(qū)，然后向B核發(fā)送信號，B核收到信號后從該方向的共享內(nèi)存區(qū)將數(shù)據(jù)取出，并回復(fù)A核，完成一次數(shù)據(jù)通信。

通信協(xié)議和通信接口封裝是雙核通信應(yīng)該重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。簡單的數(shù)據(jù)通信，雙方可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，默認(rèn)雙方已經(jīng)知道數(shù)據(jù)的含義以及數(shù)據(jù)應(yīng)該放置的內(nèi)存地址。但是隨著系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，代碼量逐漸增加，無協(xié)議的數(shù)據(jù)通信給編程和理解都帶來很大問題，降低系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能。在設(shè)計中雙核通信可以采用和系統(tǒng)外設(shè)相同的通信協(xié)議，例如串口通信使用的Modbus協(xié)議，這樣可以重復(fù)利用協(xié)議解析函數(shù)，同時也可提高可移植性。另外可根據(jù)實(shí)際需要自行定義適用的通信協(xié)議，或者將通用的通信協(xié)議做適當(dāng)?shù)男薷囊愿m應(yīng)共享內(nèi)存大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)通信。關(guān)于通信接口的軟件封裝通常定義數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、數(shù)據(jù)接收函數(shù)、協(xié)議解析函數(shù)等，原則是接口應(yīng)盡量精簡，最大程度降低雙核間的耦合度。

3.雙核間的數(shù)據(jù)共享機(jī)制

雙核間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享主要有兩種策略，一種是將共享數(shù)據(jù)直接存儲于共享內(nèi)存中，雙核均可對其進(jìn)行操作。該方法關(guān)鍵要解決對共享內(nèi)存互斥訪問的問題。關(guān)于雙口RAM互斥訪問的方法大致有兩種：

1）硬件判優(yōu)，系統(tǒng)通過存儲器沖突仲裁單元向兩個內(nèi)核提供共享內(nèi)存訪問沖突標(biāo)志，當(dāng)雙核同時對相同地址的RAM進(jìn)行存取時，仲裁單元促發(fā)相應(yīng)忙信號，設(shè)計中可利用該信號插入等待時間，避免訪問沖突。

2）信號量機(jī)制，系統(tǒng)提供獨(dú)立于雙核的信號量管理單元。該方式又叫令牌判優(yōu)方式，每個令牌可對應(yīng)指定地址，指定長度的共享內(nèi)存段。雙核按照協(xié)定的規(guī)則交替獲得令牌，進(jìn)而操作相應(yīng)的共享內(nèi)存段。當(dāng)雙核同時申請同一個令牌時，信號量管理單元裁定誰先占用。設(shè)計中可通過在訪問內(nèi)存前先申請對應(yīng)的令牌實(shí)現(xiàn)雙核對共享內(nèi)存區(qū)的互斥訪問。

另一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的策略是在雙核各自本地定義相同的數(shù)據(jù)作為共享數(shù)據(jù)，按照寫后及時更新的原則，利用中斷方式通過雙核間的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。這種方法適用于共享數(shù)據(jù)滿足一定條件時，即該共享數(shù)據(jù)對于其中一個內(nèi)核是只讀的，否則，由于雙核獨(dú)立運(yùn)行，運(yùn)行進(jìn)度幾乎沒有制約，若出現(xiàn)雙核均改寫共享數(shù)據(jù)的話，無法保證數(shù)據(jù)的有效性。

4. 雙核任務(wù)分配

任務(wù)分配的原則在于充分利用雙核資源，最大限度縮小系統(tǒng)響應(yīng)時間。例如在運(yùn)動控制領(lǐng)域利用ARM+DSP雙核處理器構(gòu)架控制系統(tǒng)，在ARM核中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制，在DSP核中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制輸出，ARM核控制運(yùn)動過程，通過命令的形式驅(qū)動DSP核實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動動作。另外在注塑機(jī)控制實(shí)例中，利用ARM核實(shí)現(xiàn)注塑過程控制，而在DSP端完成注塑機(jī)位置和溫度的智能控制算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化處理。

5. F28M35雙核處理器的軟件架構(gòu)設(shè)計

5.1 F28M35雙核存儲結(jié)構(gòu)

TI的全新Concerto-F28M35微控制器采用了一種雙子系統(tǒng)架構(gòu)，其中包含一個TI C28x內(nèi)核與一個ARM Cortex-M3內(nèi)核。這種混合架構(gòu)將業(yè)內(nèi)用于控制和主機(jī)通信功能的最佳技術(shù)融入到單個控制器中，而該控制器可提供維持實(shí)時控制環(huán)路所需的性能、效率及可靠性，并具備低延遲通信所需的快速響應(yīng)能力。

如圖1所示，在F28M35中包含兩類共享內(nèi)存，一類是MTOC-message RAM（MTOCMSGRAM）和CTOM-message RAM（CTOMMSGRAM），大小都為2K，其特點(diǎn)是一個內(nèi)核對其有讀寫的權(quán)限，而另外一個內(nèi)核僅有只讀權(quán)限。例如，M3內(nèi)核可以讀寫MTOCMSGRAM內(nèi)存，而C28內(nèi)核只能對MTOCMSGRAM進(jìn)行讀操作。另外一類共享內(nèi)存包含8個內(nèi)存塊（S0-S7），大小均為8K。該類內(nèi)存可以被劃分到任意內(nèi)核，系統(tǒng)通過控制寄存器MSxMSEL設(shè)置該類內(nèi)存的屬性，每塊內(nèi)存對應(yīng)該寄存器中的一位，通過設(shè)置相應(yīng)位來設(shè)置相應(yīng)內(nèi)存塊的歸屬權(quán)。例如，若S0被設(shè)置為歸屬M(fèi)3內(nèi)核，則M3內(nèi)核可讀寫該內(nèi)存，而C28內(nèi)核只能對其進(jìn)行讀操作。同時需要注意的是，控制寄存器MSxMSEL只能在M3內(nèi)核中進(jìn)行設(shè)置。

圖1.F28M35x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2 IPC機(jī)制

在雙核技術(shù)中，雙方之間的通信是核心。在F28M35x體系結(jié)構(gòu)中，基于IPC信號和IPC中斷實(shí)現(xiàn)IPC通信（Inter ProcessorCommunications）機(jī)制。其工作原理如圖2所示。

圖2.IPC機(jī)制原理

該處理器在每個方向（MTOC/CTOM）上定義了32個IPC信號，前4個信號促發(fā)時可以附加中斷功能。處理器通過一套寄存器組實(shí)現(xiàn)IPC信號的操作。如圖所示，每個內(nèi)核通過自己存儲空間內(nèi)的一套寄存器實(shí)現(xiàn)IPC功能，每個寄存器32位，每一位分別代表一個IPC信號，第0-3位同時可設(shè)置為IPC中斷。以C28內(nèi)核為例，寄存器組分別包括：

1）CTOMIPCSET，用于向M3核發(fā)送IPC信號或者IPC中斷。該寄存器置位時，同時將CTOMIPCFLG和CTOMIPCSTS寄存器相應(yīng)位置為1。

2）CTOMIPCCLR，用于清除C28到M3方向上的IPC信號或IPC中斷標(biāo)志。該寄存器置位時，同時將CTOMIPCFLG和CTOMIPCSTS寄存器相應(yīng)位清零。

3）CTOMIPCFLG，該寄存器為只讀寄存器，用于顯示C28核到M3核方向上當(dāng)前IPC信號的狀態(tài)。該寄存器和M3存儲空間中的CTOMIPCSTS寄存器在物理上是同一個寄存器。

4）MTOCIPCSTS，作用和CTOMIPCFLG類似，同樣是只讀的，只是表征方向相反，用于顯示M3核到C28核當(dāng)前IPC信號的狀態(tài)。同樣，它和M3存儲空間中的MTOCIPCFLG寄存器在物理上是同一個寄存器。

5）MTOCIPCACK，該寄存器置位時，同時將MTOCIPCFLG和MTOCIPCSTS寄存器相應(yīng)位清零。當(dāng)C28內(nèi)核收到M3發(fā)送來的IPC信號或者IPC中斷時，利用該寄存器發(fā)送確認(rèn)信息，完成二者的握手。

形象的說，雙核之間維護(hù)了兩條相互獨(dú)立的全雙工通道，每條通道包含了一個方向的信號發(fā)送（SET）和反向的信號確認(rèn)（ACK）。同時雙方可以隨時讀取兩個方向下的當(dāng)前IPC狀態(tài)（FLG/STS）。最終實(shí)現(xiàn)雙核間的IPC交互機(jī)制。

此外，F(xiàn)28M35還提供了一套IPC消息寄存器，分別是MTOC Message Registers和CTOM Message Registers，分別在每個內(nèi)核空間對應(yīng)4個寄存器。結(jié)合IPC信號和IPC中斷實(shí)現(xiàn)雙核之間的便捷通信。以M3內(nèi)核空間為例說明，如表1所示，該寄存器組包括命令寄存器，地址寄存器，寫數(shù)據(jù)寄存器，讀數(shù)據(jù)寄存器。

5.3 雙核芯片的軟件系統(tǒng)

以系統(tǒng)控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為核心的雙核系統(tǒng)的架構(gòu)方法。即設(shè)計了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱作系統(tǒng)控制塊（System Control Block，SCB）。將系統(tǒng)所有相關(guān)控制對象均映射到系統(tǒng)控制塊中，每個任務(wù)對系統(tǒng)的操作均可轉(zhuǎn)化為對SCB的讀寫操作，這樣系統(tǒng)可以很方便的實(shí)現(xiàn)模塊化，定義SCB操作管理模塊即可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)對系統(tǒng)操作的統(tǒng)一管理。關(guān)于SCB與實(shí)際控制對象的物理關(guān)聯(lián)可以通過對應(yīng)的驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)。

圖3.基于SCB的系統(tǒng)架構(gòu)

圖3中描述了以SCB為核心的系統(tǒng)簡易邏輯架構(gòu)，SCB不僅體現(xiàn)控制器與外部控制對象之間關(guān)系，例如，映射人機(jī)界面操作、PC機(jī)監(jiān)控過程以及各種輸入輸出信號等；同時，SCB還包含了雙核之間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)映射。SCB的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括A核外設(shè)映射區(qū)、B核外設(shè)映射區(qū)、系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)等。

圖4.SCB結(jié)構(gòu)示意圖

SCB是整個系統(tǒng)的體現(xiàn)，從處理器內(nèi)部分析，雙核通過維護(hù)同一個SCB實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。利用雙核之間的通信，當(dāng)其中一個內(nèi)核的SCB被寫操作時，立即向另一內(nèi)核發(fā)送更新命令，實(shí)時完成雙核間的數(shù)據(jù)同步。以A內(nèi)核IO資源映射為例說明SCB的同步，過程如圖5所示。

圖5.SCB同步示例

利用上小結(jié)中介紹的IPC信號機(jī)制，以及多種形式的存儲空間，可以靈活設(shè)計出多種雙核通信方式。如下所述：

1）僅利用IPC信號或者IPC中斷方式，多用于完成拓?fù)湫蚴录?zhí)行，或者系統(tǒng)啟動時初始化握手交互。

2）IPC信號/中斷+IPC消息寄存器組方式，用于小數(shù)據(jù)量的通信。命令寄存器中的命令完全由軟件定義，用戶可設(shè)計不同的命令來完成不同的數(shù)據(jù)操作。多用于對字節(jié)型內(nèi)存的讀寫操作。

3）IPC信號/中斷+MSGRAM/S0-S7方式，S0-S7可分別分配給任意內(nèi)核，該方式可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的核間通信，同時利用通用或者自定義的通信協(xié)議，可提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力及可移植性。

6.小結(jié)

如圖6所示，是基于F28M35雙核處理器設(shè)計實(shí)現(xiàn)的注塑機(jī)主控制器，采用本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了主從式軟件架構(gòu)，ARM核作為主核完成與上位機(jī)的通信任務(wù)和系統(tǒng)邏輯過程的控制任務(wù)，利用DSP高速的計算能力作為從核完成注塑機(jī)位置控制和溫度控制智能算法的執(zhí)行任務(wù)，雙核通過SCB的映射實(shí)現(xiàn)相互的協(xié)調(diào)。新的控制器替代了原有的以600MHZ主頻處理器為核心的控制系統(tǒng)，較好了完成了注塑機(jī)的控制任務(wù)。

圖6.雙核系統(tǒng)在注塑機(jī)中的應(yīng)用

在以后的工作中，從核智能控制算法仍有優(yōu)化的空間，系統(tǒng)性能仍可進(jìn)一步改善。另外，除了主從模式，將研究雙主模式，實(shí)現(xiàn)更靈活有效的系統(tǒng)架構(gòu)，并完成雙端獨(dú)立的在線監(jiān)控和程序下載等功能，進(jìn)一步降低軟件開發(fā)難度。

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