淺析非對稱雙核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。接下來，重點介紹了核間通信的概念與幾種實現(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，如果單顆MCU無法滿足系統(tǒng)的要求，一個很普遍的做法就是使用兩顆或更多的MCU，把一部分“雜項工作”分配給另一個有“助理”性質(zhì)的低端MCU來完成。但是，采用兩顆MCU，缺點也很明顯，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)部包含兩個內(nèi)核，其中一個用于主控，另一個用于協(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系統(tǒng)的強大，又能避免多機系統(tǒng)的不足。

　　事實上，這即是“非對稱多處理器（簡稱AMP）”架構(gòu)的特點。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，并且在分配工作時主要以均衡為原則。而AMP的優(yōu)點在于精細的任務(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。

　　與獨立的雙MCU相比，AMP架構(gòu)有很多優(yōu)點。其中相當(dāng)關(guān)鍵的就是，再添加一個內(nèi)核的代價遠比添加一個獨立的MCU要低，尤其是當(dāng)兩個內(nèi)核架構(gòu)相似時，甚至僅相當(dāng)于在現(xiàn)有硅片上再添加一兩個UART。另一方面，兩個內(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)體公司推出的LPC4300系列為例（尤以LPC4350型號為代表），對AMP MCU進行簡單介紹。

　　非對稱雙核MCU的特點

　　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個高速USB、2個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、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），兩個內(nèi)核均可在高達204MHz的主頻下執(zhí)行代碼。其中，M4以信號處理和浮點運算能力見長，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264KB片上RAM，并且這些RAM被劃分成4組，每組連接一條單獨的總線，而并非沒有分塊。如若不然，則會出現(xiàn)兩個核競爭使用同一塊RAM的情況——性能反而還不如只用單個內(nèi)核！進一步，LPC4350還有兩條總線連接到外部擴展的并行和串行存儲器，故總共有6個獨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，避免多個主設(shè)備（如CPU和DMA）同時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)，但往往有較高的實時要求;后者則主要是各類數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通常實時性要求偏低但數(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。在實現(xiàn)時，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進行通信，并且每個內(nèi)核都可以觸發(fā)對方的一個中斷源，通過準(zhǔn)備數(shù)據(jù)-觸發(fā)中斷的方式進行通信，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列和消息池的控制/狀態(tài)通信方案。

　　消息隊列：開設(shè)兩個消息隊列，一個用于M4發(fā)送消息給M0，另一個則是M0發(fā)送消息給M4。兩個隊列的地址需事先約定好。隊列是循環(huán)隊列，可以使用簡單的數(shù)組配以讀、寫下標(biāo)來實現(xiàn)，也可以使用鏈表結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。前者實現(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?；阪湵淼膶崿F(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)存管理機制靈活分配消息內(nèi)存，不過，缺點是相對復(fù)雜，額外開銷大。若涉及動態(tài)內(nèi)存管理，實時性將遠不如基于數(shù)組的方案。