非對稱雙核MCU基礎(chǔ)知識及核間通信

本文從對比兩顆分立MCU與單芯片雙核MCU開始(以LPC4350為例)，展開介紹了非對稱雙核MCU的基礎(chǔ)知識與重要特點(diǎn)。接下來，重點(diǎn)介紹了核間通信的概念與幾種實(shí)現(xiàn)方式，尤其是基于消息池的控制/狀態(tài)通信。然后，對內(nèi)核互斥、初始化流程等一些重要的細(xì)節(jié)展開了論述。最后提出了雙核任務(wù)分工的兩種應(yīng)用模型，并分別舉例。

背景與基本概念

在開發(fā)MCU應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，如果單顆MCU無法滿足系統(tǒng)的要求，一個(gè)很普遍的做法就是使用兩顆或更多的MCU，把一部分“雜項(xiàng)工作”分配給另一個(gè)有“助理”性質(zhì)的低端MCU來完成。但是，采用兩顆MCU，缺點(diǎn)也很明顯，尤其是在芯片與PCB成本、系統(tǒng)可靠性及功耗方面都有先天的不足。此外，若采用了不同架構(gòu)的MCU，還要面臨需要不同的開發(fā)工具與開發(fā)人員的挑戰(zhàn)。如果換一種思路，讓MCU內(nèi)部包含兩個(gè)內(nèi)核，其中一個(gè)用于主控，另一個(gè)用于協(xié)控，并且它們主控與協(xié)控在架構(gòu)上能夠向下兼容、高效通信，則在很多場合下都可以既保持多機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大，又能避免多機(jī)系統(tǒng)的不足。

事實(shí)上，這即是“非對稱多處理器(簡稱AMP)”架構(gòu)的特點(diǎn)。AMP是與“對稱多處理器(簡稱SMP)”相對的架構(gòu)，后者各處理器有一致的編程模型，并且在分配工作時(shí)主要以均衡為原則。而AMP的優(yōu)點(diǎn)在于精細(xì)的任務(wù)分工，靈活地適應(yīng)不同情景，物盡其用，以最佳地平衡成本、性能與功耗。此外，AMP的編程難度也更低。因此，在MCU應(yīng)用領(lǐng)域，AMP較SMP更為適合。

與獨(dú)立的雙MCU相比，AMP架構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)。其中相當(dāng)關(guān)鍵的就是，再添加一個(gè)內(nèi)核的代價(jià)遠(yuǎn)比添加一個(gè)獨(dú)立的MCU要低，尤其是當(dāng)兩個(gè)內(nèi)核架構(gòu)相似時(shí)，甚至僅相當(dāng)于在現(xiàn)有硅片上再添加一兩個(gè)UART。另一方面，兩個(gè)內(nèi)核可以有相同的主頻，并且可以通過總線矩陣平等地訪問片上資源。而在分立的雙MCU方案中，協(xié)控MCU的主頻常常遠(yuǎn)低于主控，并且雙方使用低速的串行鏈路通信。

接下來，我們以恩智浦(NXP)半導(dǎo)體公司新推出的LPC4300系列為例(尤以LPC4350型號為代表)，對AMP MCU進(jìn)行簡單介紹。

非對稱雙核MCU的特點(diǎn)

AMP MCU一般用于相對大型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對功能和性能都有較高的要求。在功能上，應(yīng)支持較多的外設(shè)。LPC4350片載2個(gè)高速USB、2個(gè)CAN、工業(yè)以太網(wǎng)、圖形LCD控制器，以及SDHC等接口;外加一些獨(dú)有的邏輯可配置外設(shè)以及眾多傳統(tǒng)外設(shè)，適用于工控、能源、醫(yī)療、音頻、車載、電機(jī)、監(jiān)控等眾多行業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)。

性能的改善則是AMP MCU的靈魂。內(nèi)核、存儲器，以及總線架構(gòu)對于性能有著至關(guān)重要的影響。圖1展示了LPC4350的實(shí)現(xiàn)方式。

圖1：LPC4350的內(nèi)核、存儲器以及總線連接圖

首先是內(nèi)核的選擇。LPC4350基于32位的ARM Cortex-M4和Cortex-M0內(nèi)核(以下簡稱M4和M0)，兩個(gè)內(nèi)核均可在高達(dá)204MHz的主頻下執(zhí)行代碼。其中，M4以信號處理和浮點(diǎn)運(yùn)算能力見長，勝任很多原先要采用DSP才能滿足的應(yīng)用，并且繼承了Cortex-M3的控制能力;另一方面，M0以其成本、能效和處理能力的壓倒性優(yōu)勢，正迅速吸引開發(fā)人員從8/16位架構(gòu)向上過渡。更重要的是，M4完全向下兼容M0，使用同一套開發(fā)工具即可開發(fā)、調(diào)試。

其次是存儲器的容量和組織方式。LPC4350配備多達(dá)264KB片上RAM，并且這些RAM被劃分成4組，每組連接一條單獨(dú)的總線，而并非沒有分塊。如若不然，則會出現(xiàn)兩個(gè)核競爭使用同一塊RAM的情況——性能反而還不如只用單個(gè)內(nèi)核!進(jìn)一步，LPC4350還有兩條總線連接到外部擴(kuò)展的并行和串行存儲器，故總共有6個(gè)獨(dú)立的存儲器地址空間——LPC4350無片上閃存。對于有片上閃存的型號，片上閃存也分為兩塊。

最后是總線架構(gòu)。LPC4350內(nèi)部有一個(gè)八層總線矩陣。它如同一組縱橫開關(guān)，可以把CPU與包括存儲器在內(nèi)的眾多從設(shè)備通過總線任意連接。合理分配總線接通關(guān)系，避免多個(gè)主設(shè)備(如CPU和DMA)同時(shí)訪問相同的存儲器或外設(shè)，可以最大地保證各條數(shù)據(jù)流并行不悖，從而可以充分發(fā)揮性能上的優(yōu)勢。

內(nèi)核間通信

內(nèi)核間的通信可分為兩類：一類是控制與狀態(tài)信息的通信，另一類則是數(shù)據(jù)通信。前者一般不攜帶數(shù)據(jù)，但往往有較高的實(shí)時(shí)要求;后者則主要是各類數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通常實(shí)時(shí)性要求偏低但數(shù)據(jù)量大。控制/狀態(tài)通信有較大的通用性，并且與任務(wù)間的同步較為相似。這類通信適合由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)并提供編程接口。數(shù)據(jù)通信則往往與具體應(yīng)用相關(guān)較大(尤其是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上)，需要量體裁衣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，適合由應(yīng)用軟件定義各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

內(nèi)核間通過共享的RAM進(jìn)行通信，并且每個(gè)內(nèi)核都可以觸發(fā)對方的一個(gè)中斷源，通過準(zhǔn)備數(shù)據(jù)-觸發(fā)中斷的方式進(jìn)行通信，如圖2所示。當(dāng)然，內(nèi)核也可以定期檢查共享RAM的狀態(tài)。

圖2：內(nèi)核間使用共享內(nèi)存通信模式圖

接下來，我們介紹基于消息隊(duì)列和消息池的控制/狀態(tài)通信方案。

消息隊(duì)列：開設(shè)兩個(gè)消息隊(duì)列，一個(gè)用于M4發(fā)送消息給M0，另一個(gè)則是M0發(fā)送消息給M4。兩個(gè)隊(duì)列的地址需事先約定好。隊(duì)列是循環(huán)隊(duì)列，可以使用簡單的數(shù)組配以讀、寫下標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，也可以使用鏈表結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。前者實(shí)現(xiàn)簡單、開銷小，但消息只能是定長，不便于攜帶其它信息，還有，就是必須把數(shù)組放置在共享內(nèi)存區(qū)連續(xù)的位置，靈活性低?；阪湵淼膶?shí)現(xiàn)用指針鏈接每則消息，每則消息除了公共的鏈表控制部分外，還可以根據(jù)消息類別攜帶各種各樣的附加參數(shù)，并且可以由系統(tǒng)軟件的內(nèi)存管理機(jī)制靈活分配消息內(nèi)存，不過，缺點(diǎn)是相對復(fù)雜，額外開銷大。若涉及動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，實(shí)時(shí)性將遠(yuǎn)不如基于數(shù)組的方案。[!--empirenews.page--]

消息隊(duì)列有一個(gè)缺點(diǎn)，就是消息的串行化處理，它沒有優(yōu)先級的概念。但實(shí)際上，我們有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)及嵌套中斷機(jī)制的支持，本應(yīng)實(shí)現(xiàn)消息的并發(fā)處理。

消息池：消息池在存儲結(jié)構(gòu)上其實(shí)是簡化的基于數(shù)組的消息隊(duì)列——去掉了隊(duì)列的讀、寫下標(biāo)記錄器。池中每個(gè)元素是一個(gè)消息，并且有一個(gè)字節(jié)指示每個(gè)元素的狀態(tài)——空閑/已處理、新、半處理。當(dāng)發(fā)送方寫入消息時(shí)，掃描數(shù)組以查找空閑位置;當(dāng)接收方讀取消息時(shí)，也是掃描數(shù)組以查找狀態(tài)?？梢?，消息池是基于優(yōu)先級來處理消息的——小下標(biāo)的元素優(yōu)先得到處理。

消息池的可掃描性實(shí)現(xiàn)了消息的并發(fā)處理，并且可以通過中斷上下文和任務(wù)上下文分兩次“反芻式”處理。在處理消息池的中斷服務(wù)例程中，先掃描各消息完成第一次處理，執(zhí)行消息中(如果有的話)對實(shí)時(shí)性要求較高的部分。如果系統(tǒng)中沒有使用RTOS，可以在后臺的主循環(huán)中，再接下來二次掃描消息池，以完成第二次處理。對于使用了RTOS的系統(tǒng)，可以根據(jù)消息的優(yōu)先級，創(chuàng)建或激活不同優(yōu)先級的任務(wù)，使消息“附身”在這些任務(wù)的上下文中得到第二次處理。

消息池的一大缺點(diǎn)就是不宜支持較大數(shù)目的待處理消息。如有需要，可以給每則消息添加鏈表控制字段，我們可以把同一優(yōu)先級的消息鏈成一串，從而徹底消除這一局限。

若干重要的細(xì)節(jié)

內(nèi)核互斥：偽并行的多任務(wù)之間需要互斥訪問共享資源，真并行的內(nèi)核之間更是如此。尤其關(guān)鍵的是，一個(gè)內(nèi)核無法關(guān)閉另一個(gè)內(nèi)核的中斷，因此還無法通過關(guān)中斷臨界區(qū)來保護(hù)。唯一能保證的，就是不會出現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)核同時(shí)存取相同的地址。另外，由于架構(gòu)上的局限，無法使用“自旋鎖”來互斥。為此，我們可以通過施加一些編程準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)互斥。最簡易有效的方法，就是在相同地址上給每個(gè)內(nèi)核分別設(shè)置“只讀”或“只寫”的權(quán)限，或者是有條件的讀寫權(quán)限。比如，對于消息隊(duì)列的讀位置，只有接收方可以寫，而發(fā)送方只能讀取來判斷隊(duì)列是否空/滿。又如，對于消息池，盡管發(fā)送方和接收方對池中的元素狀態(tài)均可讀可寫，但有如下的條件：發(fā)送方只能把空閑狀態(tài)改為非空閑;接收方只能把各種非空閑的狀態(tài)改為空閑。再如，對于鏈表結(jié)構(gòu)，可以只允許發(fā)送方更新各種指針;接收方通過更改鏈表中元素的狀態(tài)和觸發(fā)中斷，以指示發(fā)送方更新各指針的時(shí)機(jī)。

內(nèi)核鑒別：M4向下兼容M0，這使我們可以重用很多的源代碼。但是，有時(shí)需要鑒別當(dāng)前正在哪個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行。這有兩種方法，分別用于不同場合：如果在編譯期間鑒別即可，則可以在編譯器設(shè)置中，預(yù)定義諸如“CORE_M4”和“CORE_M0”的宏，使用C/C++的條件編譯來處理;若需要在運(yùn)行期間區(qū)分，可以讀取一個(gè)名為“CPUID”的寄存器，根據(jù)CPUID的值來判定是M4還是M0。

初始化與可執(zhí)行映像：LPC4350在完成上電復(fù)位后，M4開始執(zhí)行代碼，而M0卻一直保持在復(fù)位狀態(tài)。這樣，我們也可以無視M0的存在，而只按單核MCU來使用。為使用M0，需要讓M4為M0準(zhǔn)備好開始執(zhí)行的全部環(huán)境，包括寄存器上下文與地址空間等，然后釋放M0。當(dāng)M0處在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，我們可以通過JTAG發(fā)現(xiàn)M0，但是卻無法操作它。因此，如果要調(diào)試M0的程序，需要先給M4下載適當(dāng)?shù)挠诚?，使其釋放M0才可，不可能在拿到一個(gè)空白的芯片后，直接先從M0動(dòng)手。

盡管M4與M0各有自己的映像，但是我們可以把M0的映像內(nèi)含于M4的映像中，這樣在生產(chǎn)時(shí)只需要燒寫一次閃存。為了并入M0的映像，工具鏈通常會提供把映像轉(zhuǎn)換成C數(shù)組定義格式的功能。通過這個(gè)功能，我們把M0的映像轉(zhuǎn)換成一個(gè)C數(shù)組的表格，并且把它和M4的源文件一同編譯連接，這樣一來，M0的映像就嵌入到M4的映像中了。M4在初始化期間，要把M0的映像拷貝到準(zhǔn)備讓M0執(zhí)行的位置。由于M0固定從零地址開始取向量，M4還需要設(shè)置M0的地址映射，把映像的首地址設(shè)置成為M0的零地址。

值得一提的是，這種“主控帶動(dòng)協(xié)控”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，也是被AMP普遍采用的。

調(diào)試時(shí)的細(xì)節(jié)：當(dāng)我們使用調(diào)試仿真器連接MCU時(shí)，通常都會產(chǎn)生復(fù)位信號，但范圍可僅限于內(nèi)核，也可復(fù)位全片。在調(diào)試M0時(shí)，需設(shè)置復(fù)位范圍僅包括M0，避免殃及正在運(yùn)行的M4。另外，也需要編寫適當(dāng)?shù)恼{(diào)試初始化腳本，以準(zhǔn)備好內(nèi)核的執(zhí)行環(huán)境。這些工作繁瑣，但具有高度的通用性，我們可以借鑒現(xiàn)有的腳本。

我們可以同時(shí)調(diào)試M4和M0：只需運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的IDE進(jìn)程，分別打開相應(yīng)的工程即可。經(jīng)實(shí)踐，至少在MDK+ULINK下可行。

核間任務(wù)分工

M0沒有M4強(qiáng)大的處理能力，但是作為一個(gè)CPU，亦有完整的中斷系統(tǒng)和基本的算術(shù)與數(shù)據(jù)傳送能力，并且在LPC4350上，可以在高達(dá)204MHz的主頻下運(yùn)行。合理地分擔(dān)一些任務(wù)給M0，才能利用雙核設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。接下來，我們討論兩種主要的任務(wù)分工模型。

處理高頻中斷——智能“DMA”：中斷的響應(yīng)是有額外開銷的：既包括CPU的中斷模型本身產(chǎn)生的硬件開銷，也包括操作系統(tǒng)的中斷管理產(chǎn)生的軟件開銷，當(dāng)然，也還有中斷服務(wù)程序本身執(zhí)行的開銷。當(dāng)中斷的頻率很高時(shí)(比如：高達(dá)幾十甚至幾百kHz)，中斷的響應(yīng)將對CPU時(shí)間產(chǎn)生不可忽略的額外開銷。更重要的是，中斷的響應(yīng)是由硬件處理，并凌駕于任務(wù)管理之上的，這可以影響任何任務(wù)的執(zhí)行而不論其優(yōu)先級如何。DMA明顯改善了這一狀況。但是當(dāng)DMA通道或總線分配不足，或者是設(shè)備不受DMA支持時(shí)，我們就可以讓M0來響應(yīng)這些高頻的中斷，合理組織數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而如同一個(gè)智能的DMA一樣。

例如：在調(diào)光設(shè)備中，需要進(jìn)行多達(dá)幾十甚至上百路的AD采樣來獲取每路燈光的預(yù)期亮度，以及同樣多的LED來指示實(shí)際輸出的亮度。后者需要非常多的PWM，極可能已超出硬件PWM通道的數(shù)目。因此，在實(shí)現(xiàn)AD采樣與軟件PWM時(shí)，均需要快速的通道數(shù)據(jù)流處理與高頻LED刷新，以保證PWM精度。這兩者很容易導(dǎo)致高達(dá)幾十kHz的中斷請求，僅中斷響應(yīng)的額外開銷就可占用一半以上的CPU時(shí)間。傳統(tǒng)的做法是使用若干顆MCU來分?jǐn)偛⒂芍骺剌喸?。在LPC4350下，則可由M0來處理這些任務(wù)。同樣的例子也適用于PLC應(yīng)用，它需要快速地刷新多路控制。[!--empirenews.page--]

為弱計(jì)算操作提供額外的處理能力：M0的整體性能約是M4的72%，但對于弱計(jì)算操作(如：加減乘與邏輯運(yùn)算，移位，以及簡單的數(shù)據(jù)傳送)，并沒有太多劣勢。弱計(jì)算操作在程序中往往占一半以上的比例，尤其體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)程序及一些通信協(xié)議棧上。合理地分配一部分弱計(jì)算操作任務(wù)給M0，可以有效提升整體的處理能力。這樣，完成相同的任務(wù)只需更低的主頻，而降低功耗，或者反過來，能夠在有限的主頻下完成需求更大的任務(wù)。

例如：在高精密工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制中，對于電機(jī)的控制往往需要運(yùn)算量很大的算法，同時(shí)又要處理如CAN、工業(yè)以太網(wǎng)，以及各種現(xiàn)場總線的通信。我們可以讓M4來運(yùn)行電機(jī)控制算法，而通信協(xié)議棧與驅(qū)動(dòng)程序則由M0來完成。同樣的例子也適用于嵌入式音頻——由M4執(zhí)行音頻編解碼與音效處理算法，而M0則負(fù)責(zé)音頻總線、USB等事務(wù)。

本文小結(jié)

通過以上的介紹可以看出，相比傳統(tǒng)的使用多顆MCU的方案，非對稱雙核MCU在性能、成本、功耗、生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)都有明顯的優(yōu)勢。核間通信稍顯復(fù)雜，但作為基礎(chǔ)設(shè)施可由底層系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。在具體開發(fā)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際問題合理分配任務(wù)，并且在初始化流程、內(nèi)核鑒別以及調(diào)試上，需注意一些操作細(xì)節(jié)。