采用非對稱(chēng)雙核 MCU 提高系統性能 C 基于 C2000 Concerto 系列

1、背景介紹

隨著(zhù)各個(gè)行業(yè)朝著(zhù)智能化方向的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品對能耗和效率的要求越來(lái)越苛刻。特別是在智能電網(wǎng)、工業(yè)和醫療等領(lǐng)域，一個(gè)產(chǎn)品的核心 MCU 處理器面臨多重挑戰。比如，一個(gè)自動(dòng)化的馬達系統或者分布式工業(yè)系統，一方面需要更多的數字信號處理能力來(lái)更精確地控制馬達，另一方面也需要更多和更高級的網(wǎng)絡(luò )接口(CAN，Ethernet 或者 Wireless 等)來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)的分布式監控或控制功能。再比如圖 1，一個(gè)太陽(yáng)能逆變系統，一方面需要 DSP 引擎來(lái)實(shí)現 DC/AC 或者 DC/DC 的算法，另一方面也需要將多個(gè)逆變器通過(guò) Wireless 或者以太網(wǎng) Ethernet 組成網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現智能診斷和監控。

面對這些需求，有兩種傳統的方案可以解決。一種方案是采用兩顆單獨的 MCU/DSP，其中一顆 MCU或者 DSP 用于實(shí)現數字信號處理或者控制算法，另外一顆 MCU 實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議?；蛘邎D形顯示界面等。這類(lèi)方案的存在諸多缺點(diǎn)，首先兩顆 MCU 增加了 PCB 的面積，而且雙 MCU 之間的通訊的可靠性和數據吞吐率受到限制，另外，功耗也將顯著(zhù)增加，程序開(kāi)發(fā)者甚至需要維護多個(gè)軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境。另外一種方案是采用更高主頻和更多片內資源的單核 MCU/DSP，分時(shí)地完成數據處理和輔助通信或顯示功能，這種方案顯著(zhù)增加了系統成本和功耗，最致命的是，當客戶(hù)的產(chǎn)品需要增加新的功能的時(shí)候，工程師需要重新計算 MCU 內核的資源和不同任務(wù)所需要的運行時(shí)間，需要更多的測試時(shí)間，因此不利于擴展和產(chǎn)品維護。

面對種種不足，異構雙核架構應運而生，可以很好解決上述問(wèn)題。事實(shí)上，非對稱(chēng)雙核架構 MCU 可以將不同的系統任務(wù)分配于不同的 MCU 內核，分工精細，并且可以最佳地平衡性能、功耗和成本。兩個(gè)MCU 內核間的通信可以通過(guò)不同的方式來(lái)實(shí)現，比如分享內存區和消息區，非常簡(jiǎn)單和易于實(shí)現。在下面的章節，本文將以 TI 最新的 Concerto 系列產(chǎn)品 TMS320F28M35H52C 為例，詳細闡述非對稱(chēng)異構雙核 MCU 的優(yōu)勢，及其為系統帶來(lái)的性能提升。

2、C2000 Concerto 雙核 MCU 的特點(diǎn)

C2000 Concerto 系列 MCU 是 TI 推出的創(chuàng )新性的異構雙核產(chǎn)品。Concerto 混合架構通過(guò)將業(yè)界最好的實(shí)時(shí)控制功能和通訊功能集成在一個(gè)芯片內，提供高性能、高效率和可靠性，從而實(shí)現實(shí)時(shí)控制環(huán)路和低延時(shí)的快速通訊響應[1]。以下從內核、存儲器架構、通訊外設等方面闡述其特點(diǎn)。Concerto 系列 TMS320F28M35H52C 功能框圖如下圖 2 所示。

首先是高性能的內核。Concerto 系列 MCU 包含 Cortex-M3 和 C28x 兩個(gè)內核。Cortex-M3 內核是Concerto 的主系統 Master 子系統內核，主頻最高可運行于 125 MHz。Cortex-M3 內核是 32 位的ARM 核，超高的性?xún)r(jià)比，已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用，其性能和穩定性也已被用戶(hù)所廣泛接受，非常適用于通訊和事件控制。C28x 是新一代的 32 位 DSP 內核，是 TI 大多數現有的 C2000 產(chǎn)品的內核，最高可運行于 150 MHz，Concerto 中的 C28x 帶浮點(diǎn)運算單元(Floating-Point Unit)，VCU 協(xié)處理器等，性能超強，非常適用于大吞吐量的數據處理。C28x 作為 Control 子系統，宏觀(guān)上受控于 Cortex-M3 Master 子系統。

其次是優(yōu)化的存儲器架構。如圖 2 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x 可支配 512KB 帶 ECC 校驗的 Flash 存儲器，64KB ROM，36KB 帶 ECC 校驗的 RAM;Cortex-M3 可支配 512KB 帶 ECC 校驗的Flash 存儲器，64KB ROM，32KB 帶 ECC 校驗的 RAM [3]。在兩個(gè)內核之間，是共享的外設和存儲區?？偣?64K 字節的共享 RAM，4K 的消息 RAM。

再次是外設。如圖 2 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x 內核可支配 DMA、高速 ADC(3MSPS)、多路高精度的 PWM(24 路 PWM和 16 路高精度 HRPWM)、eCAP、eQEP 等為閉環(huán)控制所優(yōu)化的控制外設;Cortex-M3 內核可支配多個(gè)串行接口、以太網(wǎng)、CAN 等工業(yè)通訊外設。同時(shí)，兩個(gè)內核還可共享 ADC 等外設，增強整個(gè)系統的靈活性。

最后是軟件架構。如圖 3 所示，controlSUITE 是一個(gè)集成所有 C2000 MCU 的開(kāi)發(fā)資源和軟件包和開(kāi)發(fā)平臺，它為 TMS320F28M35H52C 的開(kāi)發(fā)者提供了外設例程、DSP 庫、文檔、開(kāi)發(fā)板資料。ControlSUITE 還提供免費的全功能實(shí)時(shí)操作系統 TI-RTOS 平臺，如圖 4 所示，TI-RTOS 是基于SYS/BIOS 實(shí)時(shí)內核，集成了穩定的中間件，例如 TCP/IP 協(xié)議棧、USB 協(xié)議棧、FAT 文件系統、IPC多核通訊組件等。

3、IPC 內核間通信

Cortex-M3 和 C28x 內核之間的通信主要完成兩大功能，一是數據通信，二是傳遞狀態(tài)和控制信息。IPC(內核間通訊)的數據通信需要較大的 RAM 來(lái)支持，而傳遞狀態(tài)和控制等信息只需要一系列狀態(tài)標志位即可。此外，Cortex-M3 側的 UART4 與 C28x 側的 SCIA;以及 Cortex-M3 側的 SSI3 與 C28x側的 SPIA 在 Concerto 內部實(shí)現互聯(lián)，不需要在芯片外部硬件連接，而是否使能這類(lèi)功能則有 CortexM3 系統配置。

3.1 Message RAM 內存區

TMS320F28M35H52C 使用 Message RAM 實(shí)現 IPC 的數據通信。如圖 5 所示，2K 字節的 MTOC Message RAM 用于從 Master (Cortex-M3)子系統向 Control(C28x)子系統傳遞消息;2K 字節的CTOM Message RAM 用于從 Control 子系統向 Master 子系統傳遞消息。由于兩個(gè)子系統都配有 DMA外設，因此，DMA 也可以讀寫(xiě) Message RAM，從而提高系統效率。Message RAM 區通過(guò) RAM 內存的讀寫(xiě)權限保證了 Message 的互斥訪(fǎng)問(wèn)，例如，C28x CPU 與 DMA 可以讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn) CTOM Message RAM 區，而 Cortex-M3 CPU 和 uDMA 只能讀訪(fǎng)問(wèn) CTOM Message RAM。同樣，兩個(gè)內核對于MTOC Message RAM 區的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)權限則正好相反。

Message RAM 僅僅作為 IPC 的數據緩存，IPC 還需借助于特定的控制邏輯電路來(lái)完成。如圖 6 所示，Master 子系統和 Control 子系統都是通過(guò) 5 個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現 IPC 的邏輯流程控制：IPCACK、IPCSTS、IPCFLG、IPCCLR、IPCSET。這 5 個(gè)寄存器都是 32 位，每一個(gè) bit 對應于 IPC 的一個(gè)通道，因此最多可實(shí)現 32 個(gè)通道的握手通信。Bit0 到 Bit3 總共 4 個(gè)通道可以觸發(fā)消息接收方的 IPC 中斷，Bit4 到Bit31 共 28 個(gè)通道則需要消息接收方的軟件查詢(xún)來(lái)獲取 Message RAM 中是否收到數據。如果兩個(gè)內核之間僅僅傳遞狀態(tài)和控制信息(例如 RTOS 中的 Semaphore)，僅通過(guò)以上寄存器便可以實(shí)現，而無(wú)需 Message RAM 的參與。

以下通過(guò)舉例 Master 子系統往 Control 子系統發(fā)送一幀數據，來(lái)簡(jiǎn)單介紹 IPC 模塊的操作流程。

1. Cortex-M3 先在 MTOC Message RAM 中寫(xiě)入一幀數據;

2. Cortex-M3 置位 MTOCIPCSET(CM3 映射存儲器區)的 Bit9，如圖 6 所示，此時(shí) MTOCIPCSTS(C28x 映射存儲器區)的 Bit9 也將置位;

3. C28x 輪詢(xún) MTOCIPCSTS 的 Bit9，查詢(xún)到 Bit9 已置位;(如果之前的操作是 Bit0 到 Bit3 其中之一， 則將觸發(fā) C28x 產(chǎn)生一個(gè) IPC 中斷)

4. C28x 讀 MTOC Message RAM 中的數據，此時(shí)，Cortex-M3 成功將一幀數據發(fā)送至 C28x。

3.2 Shared RAM 內存區

大部分情況下，2K 字節的 IPC Message RAM 區能夠滿(mǎn)足 C28x 和 M3 子系統之間的數據通信，配合DMA，通信效率也可以進(jìn)一步提高。如果用戶(hù)希望一次性在兩個(gè)子系統傳遞更大塊的數據，另一種方法是通過(guò) Shared RAM 內存。

TMS320F28M35H52C 有一個(gè) 64K 字節大小的 Shared RAM 區，總共 8 塊 S0-S7，每塊 8K 字節大小，如圖 7 所示。Cortex-M3 可以設置讓任何一塊 Shared RAM 區由 C28x 或 M3 主控，比如，映射 S0 至C28x 側以后，C28x CPU 和 DMA 可以讀寫(xiě) S0，而 M3 和 uDMA 將只能讀 S0，不能寫(xiě)入和預取。

假如 Cortex-M3 需要一次性發(fā)送 6K 字節的數據到 C28x 側，它可以先將 Shared RAM 區 S0 映射到本地存儲器空間，接著(zhù)通過(guò) IPC 發(fā)送一個(gè)標志位給 C28x 來(lái)通知其可以將數據取走。

3.3 IPC 的軟件驅動(dòng)

controlSUITE 軟件開(kāi)發(fā)包中提供 2 種 IPC 的軟件驅動(dòng)庫，IPC Driver 和 IPC_Lite Driver。IPC_Lite Driver 僅使用 IPC 寄存器來(lái)實(shí)現通信，不需要額外的 RAM，但是用戶(hù)只能支持一個(gè) IPC 中斷服務(wù) ISR，且不支持以隊列形式來(lái)處理 IPC 請求。IPC_Lite Driver 使用方式如下：

1，主動(dòng)發(fā)起數據請求的內核會(huì )首先調用 IPC_Lite Driver 提供的名函數。在這個(gè)例子匯總，M3 是發(fā)送數據的內核并執行“IPCLiteMtoCDataRead” 函數。

• IPC_FLAG2 是 C28 中斷標志，指示 C28 內核一個(gè)消息到來(lái)。

• IPC_FLAG17 是響應標志，C28 用其指示 M3 核一個(gè)命令已經(jīng)被處理。

• 需要讀取數據的 C28 的地址也被作為一個(gè)參數傳遞給 C28 內核。

• 這個(gè)函數在 while 循環(huán)中被調用的原因是，它可能返回 STATUS_FAIL 并且不會(huì )發(fā)送信息給C28 直至 MtoC IPC 中斷 2 和標志 17 可用, 之后，該函數返回 STATUS_PASS.

2，被動(dòng)接收數據請求的內核會(huì )在 ISR 中解析其 IPCCOM寄存器的命令。這個(gè)例子中，C28 MtoCIPCINT2 ISR 知道標志置位，解析 MTOCIPCCOM寄存器的命令，識別出是讀數據命令。

3，被動(dòng)接收數據請求的內核會(huì )調用與主動(dòng)發(fā)起數據請求的內核相同的函數名。這個(gè)例子中，C28 執行 IPCLiteMtoCDataRead， IPC_FLAG2 作為中斷標志參數， IPC_FLAG17 作為狀態(tài)標志參數。

4，如果接收到命令有效，IPC_Lite 的驅動(dòng)函數會(huì )處理讀命令并確認(acknowledges)狀態(tài)和中斷標志。如果接收到的命令無(wú)效，則只有中斷標志被確認(acknowledged)用來(lái)釋放中斷給后續的命令，而狀態(tài)標志仍然置位。

IPC Driver 通過(guò)在 Message RAM 中建立環(huán)形緩沖區，使得多個(gè) IPC 通信命令可以以隊列的形式被緩沖，然后逐個(gè)處理，并且可以同時(shí)支持多個(gè) IPC 中斷服務(wù)程序 ISR，當然，IPC Driver 需要更多的RAM 來(lái)支持。和 IPC-Lite 不同，為了使用 IPC 驅動(dòng)，需要在 M3 和 C28 的項目中增加一些設置。

第一步是在 M3 和 C28 的鏈接定位文件(.cmd)中添加 IPC 循環(huán)緩沖區和指針段到 CTOM和 MTOC message RAM。如下所示：

第二步，應用程序源碼中必須定義并且初始化至少一個(gè) volatile global tIpcController 變量 (為 C28 –M3 IPC 中斷使用)，如下所示：

1. 主動(dòng)發(fā)起數據請求的內核會(huì )首先調用 IPC Driver 提供的一個(gè)命令函數。這個(gè)例子中，M3 是發(fā)起數據請求的內核，執行“IPCMtoCSetBits”函數。

• g_sIpcController1 是 tIpcController 類(lèi)型的變量，控制 M3 和 C28 IPC 中斷通道之間的通信。

• SETMASK_16BIT 是 16-bit 掩碼，指示應該被置位的位域。IPC_LENGTH_16_BITS 指示命令操作的數據對象是 16-bits。

• 函數被配置成允許阻塞 “ENABLE BLOCKING”, 意味著(zhù)函數會(huì )一直等待直到 M3 PutBuffer 有空的緩沖區。如果函數被配置成不許阻塞 “DISABLE BLOCKING”, 一旦”Put”緩沖區滿(mǎn)，它會(huì )立即返回STATUS_FAIL 并且不會(huì )發(fā)送消息到 C28。如果”Put”緩沖區有空余，函數會(huì )返回 STATUS_PASS，

消息被成功發(fā)送到 C28.

2. 被動(dòng)接受數據請求的內核會(huì )連續調用 IpcGet 函數來(lái)讀取 sMessage 結構體里的消息，只要有消息在”Get”緩沖區。在 ISR 中 IpcGet 函數被調用，C28 側的 tIpcController 變量被用來(lái)綁定兩個(gè)相同的M3 和 C28 的 IPC 中斷通道(和 M3 側用來(lái)發(fā)送命令的 tIpcController 相同)。

3. 即使被動(dòng)接收數據的內核沒(méi)有確認(acknowledged)IPC 中斷標志，主動(dòng)請求數據的內核仍然可以連續發(fā)送消息，因為 tIpcController 變量會(huì )把消息排隊放到”Put”緩沖區(與被動(dòng)接收數據請求的內核的”Get”緩沖區相同)。被動(dòng)接收數據請求的內核的 ISR 會(huì )連續獲取并處理消息，直至”Get”緩沖區為

空。

4、Cortex M3 和 C28x 核的任務(wù)分工

Cortex-M3 子系統的優(yōu)勢在于處理事務(wù)和管理通訊外設的能力，C28x 內核子系統在實(shí)時(shí)控制和數據處理方面性能優(yōu)越。因此，在一個(gè)系統中，合理地分配兩個(gè)子系統的所處理的事務(wù)，優(yōu)化資源的配置是至關(guān)重要的?；?Concerto 的系統，一方面應當最大化地使用 C28x 的 DSP 和實(shí)時(shí)控制優(yōu)勢，發(fā)揮ADC、PWM、C28x 組成的閉環(huán)系統的優(yōu)勢;另一方面應將人機界面、通訊協(xié)議棧、文件系統等盡可能運行在 Cortex-M3 子系統一側。下面通過(guò)兩個(gè)應用案例來(lái)討論如何通過(guò)合理任務(wù)分工來(lái)提高系統效率。

4.1 光伏逆變器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)

光伏逆變器的主要功能是把光伏面板輸出的 DC 直流電逆變?yōu)?110V/220V 的 AC 交流電，最終接入電網(wǎng)或者離網(wǎng)輸電至用電設備。在一個(gè)大功率的光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò )拓撲中，往往有許多個(gè)光伏逆變器，這些逆變器需要被監測，控制中心需要實(shí)時(shí)觀(guān)測各個(gè)光伏逆變器的工作狀態(tài)。因此，光伏逆變器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的功能主要包括 DC/AC 逆變器和網(wǎng)絡(luò )連接。如圖 9 所示，C28x 子系統(運行于 100MHz)完成MPPT 和 DC/AC 逆變算法。網(wǎng)絡(luò )連接可以有多種方式，常用的方式包括 Ethernet 以太網(wǎng)、RS485 或CAN 等，TMS320F28M35H52C 的 Cortex-M3 子系統(100 MHz)帶 Ethernet、RS485 和 CAN 等接口，支持多種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)連接功能。

圖 8 Solar HV DC-AC Kit

對于 C28x 子系統，采用狀態(tài)機的設計思路來(lái)區別不同的系統狀態(tài)。不同的狀態(tài)代表著(zhù)不同的運行模式，其它的任務(wù)能夠根據特定的運行模式采取相應的行動(dòng)。例如，可以采用下面 5 種不同的運行模式。

• Power On Mode: 系統上電后進(jìn)入 Power On Mode，系統上電后，F28M35H52C1 中的 Cortex-M3內核 boot 程序首先啟動(dòng)，此時(shí) C28x 控制子系統和模擬子系統處于復位狀態(tài)，需要 M3 主子系統將其從復位狀態(tài)解除。M3 主子系統設定 M3 和 C28x 內核的時(shí)鐘頻率，由于 M3 和 C28x 的主頻之比必須

為整數比，因此 M3 和 C28x 的主頻設定只能為 60/60MHz、75/150MHz、100/100MHz。在 M3 和C28x 的主頻設定完成之后，需要由 M3 主子系統對整個(gè)芯片的外設資源以及 GPIO 進(jìn)行配置，來(lái)決定哪些 GPIO 可以由 C28x 控制子系統進(jìn)行配置。本系統中 M3 和 C28x 主頻設定為 75/150MHz。當所有的初始化操作完成后，系統自動(dòng)轉入到 Standby Mode。

• Standby Mode：所有的 PWM 和繼電器被關(guān)閉。系統等待啟動(dòng)命令，也檢測是否發(fā)生錯誤。

• Soft Start Mode: 接收到啟動(dòng)命令，系統進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，PWM 和繼電器開(kāi)啟。如果啟動(dòng)成功而且沒(méi)有錯誤發(fā)生，系統自動(dòng)進(jìn)入正常逆變模式。

• Normal Inverter Mode: 該模式下系統輸出功率，如果沒(méi)有錯誤發(fā)生也沒(méi)有收到關(guān)閉命令，系統會(huì )一直處于這個(gè)模式。

• Fault Mode: 如果發(fā)生錯誤，例如母線(xiàn)過(guò)壓，系統立即進(jìn)入 Fault Mode。所有 PWM 輸出被封鎖，輸出繼電器被斷開(kāi)。Fault 狀態(tài)可以被按鍵或者 GUI清除。清除后，系統會(huì )返回到Standby Mode

圖 90 C28x 端程序系統狀態(tài)機

圖 101 Concerto ADC 框圖

Concerto 系列有兩個(gè) 12-bit ADC 模塊，每個(gè) ADC 模塊包含兩個(gè)采樣保持電路，支持同步或者順序采樣模式，3 個(gè)帶 10-bitDAC 的模擬比較器，模擬信號的輸入范圍 0V~3.3V( 內部參考)或者VREFHI/VREFLO 比例關(guān)系(外部參考)。

圖 11 給出了詳細的 ADC 配置，TMS320F28M35H52C 的 Cortex-M3 和 C28x 內核都能夠訪(fǎng)問(wèn) ADC的結果寄存器，而且 2 個(gè) ADC 模塊共享 4 個(gè)模擬輸入， Concerto ADC 模塊的這個(gè)特性允許對關(guān)鍵信號進(jìn)行安全性驗證，提高系統的可靠性。

4.2 電力線(xiàn)載波通訊 PLC 智能家居網(wǎng)關(guān)

智能家居網(wǎng)關(guān)能夠將房間內的智能電器以有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式組成網(wǎng)絡(luò )，集中進(jìn)行管理。如圖 10 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x(運行于 150MHz)主要完成電力線(xiàn)載波通信(Power Line CarrierCommunication)PLC 的 OFDM 物理層算法。Cortex-M3(75MHz)的運行 TCP/IP 協(xié)議接入以太網(wǎng)，其次，可選地通過(guò) UART 接口外接 GPRS 模塊或者通過(guò) EBI 外擴總線(xiàn)連接 TFT 彩屏用戶(hù)界面。

5、總結

Concerto C2000 異構雙核 MCU 將 C28x DSP 內核與 ARM 公司的 Cortex-M3 內核融合在一起，展示出高效的數據處理、數據通訊和事件管理的強大性能。C28x 和 Cortex-M3 兩個(gè)子系統分工明確，又通過(guò) IPC 模塊巧妙實(shí)現了實(shí)時(shí)高效地核間通訊。在軟件方面，controlSUITE 開(kāi)發(fā)平臺提供多種組件，包括 TCP/IP 協(xié)議棧、IPC 驅動(dòng)、USB 協(xié)議棧、FAT 文件系統等，可幫助用戶(hù)更快地開(kāi)發(fā)出創(chuàng )新性的產(chǎn)品。