非對(duì)稱雙核MCU基礎(chǔ)知識(shí)及核間通信

前言

本文從對(duì)比兩顆分立MCU與單芯片雙核MCU開(kāi)始(以LPC4350為例)，展開(kāi)介紹了非對(duì)稱雙核MCU的基礎(chǔ)知識(shí)與重要特點(diǎn)。接下來(lái)，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(duì)內(nèi)核互斥、初始化流程等一些重要的細(xì)節(jié)展開(kāi)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(kāi)發(fā)MCU應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，如果單顆MCU無(wú)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(lái)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(kāi)發(fā)工具與開(kāi)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(chǎng)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(duì)稱多處理器(簡(jiǎn)稱AMP)”架構(gòu)的特點(diǎn)。AMP是與“對(duì)稱多處理器(簡(jiǎn)稱SMP)”相對(duì)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(guò)總線矩陣平等地訪問(wèn)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(lái)，我們以恩智浦(NXP)半導(dǎo)體公司推出的LPC4300系列為例(尤以LPC4350型號(hào)為代表)，對(duì)AMP MCU進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

非對(duì)稱雙核MCU的特點(diǎn)

AMP MCU一般用于相對(duì)大型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)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(kāi)發(fā)。

性能的改善則是AMP MCU的靈魂。內(nèi)核、存儲(chǔ)器，以及總線架構(gòu)對(duì)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(chǔ)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(jiǎn)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(hào)處理和浮點(diǎn)運(yùn)算能力見(jiàn)長(zhǎng)，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(shì)，正迅速吸引開(kāi)發(fā)人員從8/16位架構(gòu)向上過(guò)渡。更重要的是，M4完全向下兼容M0，使用同一套開(kāi)發(fā)工具即可開(kāi)發(fā)、調(diào)試。

其次是存儲(chǔ)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(méi)有分塊。如若不然，則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)核競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)器，故總共有6個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器地址空間——LPC4350無(wú)片上閃存。對(duì)于有片上閃存的型號(hào)，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(kāi)關(guān)，可以把CPU與包括存儲(chǔ)器在內(nèi)的眾多從設(shè)備通過(guò)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(wèn)相同的存儲(chǔ)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(shì)。

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?？刂?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(guò)共享的RAM進(jìn)行通信，并且每個(gè)內(nèi)核都可以觸發(fā)對(duì)方的一個(gè)中斷源，通過(guò)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(lái)，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(kāi)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(jiǎn)單的數(shù)組配以讀、寫下標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、開(kāi)銷小，但消息只能是定長(zhǎng)，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(guò)，缺點(diǎn)是相對(duì)復(fù)雜，額外開(kāi)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。