AMP為SoC項目助力Linux的出色表現(xiàn)

嵌入式系統(tǒng)一般分為兩大類：需要硬實時性能的；和不需要硬實時性能的。過去，我們不得不做出艱難抉擇： 選擇實時操作系統(tǒng)的性能還是我們鐘愛的 Linux 系統(tǒng)的豐富特性，然后努力彌補(bǔ)不足之處?

如今，嵌入式開發(fā)人員再也不需要在二者之間艱難選擇。非對稱多處理 (AMP) 兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點。幾款新型片上系統(tǒng) (SoC) 產(chǎn)品集成了多個 CPU、多種標(biāo)準(zhǔn) I/O 外設(shè)和可編程邏輯。例如，賽靈思 Zynq-7000? All Programmable SoC 系列包含一個雙核 ARM? Cortex?-A9、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)（例如千兆位以太網(wǎng) MAC、USB、DMA、SD/MMC、SPI 和 CAN）以及龐大的可編程邏輯陣列。我們可將這些 SoC 產(chǎn)品作為 Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，助其實現(xiàn)高度的靈活性。

典型的 AMP 配置在很多方面類似于基于 PCI 的系統(tǒng)，即 Linux 域起到主機(jī)作用，RTOS 域起到適配器作用，并有一個或多個共享存儲器域用來實現(xiàn)兩個域之間的通信。不過與 PCI 不同，AMP 配置能更方便、動態(tài)地為一個或另一個域分配資源（標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和自定義邏輯）。此外，Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)能根據(jù)運行時間要求——例如各種外部設(shè)備的有無——動態(tài)地重新配置可編程邏輯。靈活程度通常會與建立 AMP 系統(tǒng)所涉及的復(fù)雜性和難度息息相關(guān)。不過請放心，Linux 開發(fā)社區(qū)已經(jīng)將很多功能引入到核心，能大大簡化 AMP 配置與使用。

Linux 多處理簡介
就多處理而言，Linux 核心分為兩種：單處理器 (UP) 核心和對稱多處理器 (SMP) 核心。無論有多少個內(nèi)核，UP 核心只能在單個內(nèi)核上運行。AMP 系統(tǒng)可包含兩個或更多個單處理器內(nèi)核的實例。

SMP 核心可在一個內(nèi)核或同時在多個內(nèi)核上運行(圖 1)。

遠(yuǎn)程處理器框架
遠(yuǎn)程處理器 (remoteproc) 框架是一種 Linux 組件，負(fù)責(zé)啟動和停止各個內(nèi)核(遠(yuǎn)程處理器)，以及在 AMP 系統(tǒng)中加載內(nèi)核的軟件。例如，我們可以將圖 1 所示的 SMP 系統(tǒng)動態(tài)地重新配置為圖 2 所示的 AMP 系統(tǒng)，然后再使用 remoteproc 的功能配置回 SMP。

我們可以通過用戶空間應(yīng)用程序或系統(tǒng)初始化腳本完全控制重配置。重配置控制功能使用戶應(yīng)用可以根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需求停止、重新加載和運行多種 RTOS 應(yīng)用程序。

內(nèi)核的軟件(本例中是指 RTOS 和用戶應(yīng)用程序)從標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行和可鏈接格式 (ELF) 文件中加載，該文件包含一個資源表的特殊段。資源表類似于 PCI 配置空間，用來描述 RTOS 需要的資源。這些資源中包括 RTOS 代碼和數(shù)據(jù)所需的存儲器。

追蹤緩沖區(qū)
追蹤緩沖區(qū)是自動在 Linux 文件系統(tǒng)中作為文件出現(xiàn)的存儲器區(qū)域。顧名思義，追蹤緩沖區(qū)向遠(yuǎn)程處理器提供基本追蹤功能。遠(yuǎn)程處理器向緩沖區(qū)寫入追蹤、調(diào)試和狀態(tài)消息，以便通過 Linux 命令行或定制應(yīng)用進(jìn)行檢查。

能夠動態(tài)地控制核心所使用的內(nèi)核數(shù)量，這是 SMP 核心比 UP 核心更受 AMP 開發(fā)人員青睞的主要原因。

在資源表中輸入條目，以請求一個或多個追蹤緩沖區(qū)。盡管一般包含純文本，但追蹤緩沖區(qū)也會包含二進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如應(yīng)用狀態(tài)信息或警報指示。

虛擬 I/O 設(shè)備
我們還可使用資源表定義虛擬輸入/輸出設(shè)備 (VDEV)，這種設(shè)備主要是支持 Linux 核心與遠(yuǎn)程處理器之間消息傳送的幾對共享存儲器隊列。VDEV 定義包括用來設(shè)定隊列大小的字段，以及用來在處理器之間發(fā)信號的中斷。

Linux 核心可處理虛擬 I/O 隊列的初始化。遠(yuǎn)程處理器上運行的軟件只需要在其資源表中包含一個 VDEV 描述，然后在開始執(zhí)行時使用隊列；剩下的都由核心來處理。

遠(yuǎn)程處理器消息框架
遠(yuǎn)程處理器消息 (rpmsg) 框架是基于 Linux 核心的虛擬 I/O 系統(tǒng)的軟件消息總線。該消息總線類似于局部區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)，單個處理器可在其中通過共享存儲器創(chuàng)建可尋址端點和交換信息。

核心的 rpmsg 框架起到開關(guān)的作用，根據(jù)消息中包含的目的地址將消息傳送到相應(yīng)端點。由于消息報頭包含源地址，因此可在不同處理器之間建立專用連接。

命名服務(wù)
處理器可通過向 rpmsg 框架的命名服務(wù)發(fā)送消息，以動態(tài)宣布特定服務(wù)。命名服務(wù)功能本身用途不是很大。不過，rpmsg 框架允許將服務(wù)名稱關(guān)聯(lián)到設(shè)備驅(qū)動程序，以支持驅(qū)動程序的自動加載和初始化。

例如，如果遠(yuǎn)程處理器宣布 dlinx-h323-v1.0 服務(wù)，那么核心可以搜索、加載和初始化與該名稱關(guān)聯(lián)的驅(qū)動程序。如果系統(tǒng)中服務(wù)被動態(tài)安裝在遠(yuǎn)程處理器上，那么這樣可大大簡化驅(qū)動程序管理。

管理中斷
中斷管理有些棘手，尤其在啟動和停止內(nèi)核時更是如此。最終，系統(tǒng)需要在遠(yuǎn)程處理器啟動時動態(tài)地將特定中斷重定向至遠(yuǎn)程處理器域，然后當(dāng)遠(yuǎn)程處理器停止時收回中斷。此外，系統(tǒng)必須保護(hù)中斷，防止其被錯誤配置的驅(qū)動程序誤分配。簡言之，必須在系統(tǒng)層面管理中斷。
對于 Linux SMP 核心而言，這是一個常規(guī)事件，而且是 SMP 核心在 AMP 配置中更受青睞的另一個原因。遠(yuǎn)程處理器框架能方便地管理中斷，只需來自設(shè)備驅(qū)動程序的最小支持。

設(shè)備驅(qū)動程序
設(shè)備驅(qū)動開發(fā)是個始終需要關(guān)注的問題，因為所需的技能組合可能無法立刻提供。幸運的是，Linux 核心的 remoteproc 和 rpmsg 框架完成大部分重活；驅(qū)動程序只需要實現(xiàn)幾個標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序例程。功能完整的驅(qū)動程序可能只需要幾百行代碼。核心源代碼樹包含嵌入式開發(fā)人員可根據(jù)自身要求進(jìn)行調(diào)整的驅(qū)動程序范例。

廠商還提供通用的開源設(shè)備驅(qū)動程序。DesignLinx Hardware Solutions 提供針對 Linux 和 FreeRTOS 的通用 rpmsg 驅(qū)動程序。由于通用驅(qū)動程序沒有假定所交換消息的格式，因此嵌入式開發(fā)人員可將其用于多種 AMP 應(yīng)用，無需做任何修改。

例如，我們可以使用賽靈思 Zynq-7000 系列 SoC 實現(xiàn)圖 3 中的初始 PCB 硬件架構(gòu)，將其中一個 ARM 處理器作為可編程邏輯中的控制 CPU 和軟處理器(例如賽靈思 MicroBlaze? 處理器)，以替代分立處理器。我們可以使用剩余的 ARM 處理器運行 Linux SMP 核心(圖 4)。

將 Linux 添加到初始設(shè)計中能夠為 ARM 內(nèi)核和軟核處理器提供以上描述的所有標(biāo)準(zhǔn)多處理功能(例如啟動、停止、重載、追蹤緩沖區(qū)和遠(yuǎn)程消息)。而且，還帶來豐富的 Linux 功能集，可支持多種網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍(lán)牙)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web 服務(wù)器、FTP、SSH、SNMP)、文件系統(tǒng)

新型 SoC 產(chǎn)品使設(shè)計人員能夠方便地將各種硬件設(shè)計從印刷電路板移植到片上系統(tǒng)

(DOS、NFS、cramfs、閃存存儲器)以及其他接口(PCIe、SPI、USB、MMC、視頻)等。這些特性能方便地實現(xiàn)新功能，無需對經(jīng)過檢驗的架構(gòu)做太大改動。

內(nèi)核不斷涌現(xiàn)
過去幾年中，針對嵌入式市場的多核 SoC 產(chǎn)品不斷增加，而且很適合用于 AMP 配置。例如，賽靈思 UltraScale+? MPSoC 架構(gòu)包含一個 64 位四核 ARM Cortex-A53、一個 32 位雙核 ARM Cortex-R5、一個圖形處理單元 (GPU) 以及多種其他外設(shè)，當(dāng)然還包括有用的可編程邏輯。這為那些清楚如何駕馭實時操作系統(tǒng)的性能以及 Linux 核心的豐富特性集的設(shè)計人員提供了沃土。