應用非對稱(chēng)雙核MCU增強系統性能

本文從對比兩顆分立MCU與單芯片雙核MCU開(kāi)始(以L(fǎng)PC4350為例)，展開(kāi)介紹了非對稱(chēng)雙核MCU的基礎知識與重要特點(diǎn)。接下來(lái)，重點(diǎn)介紹了核間通信的概念與幾種實(shí)現方式，尤其是基于消息池的控制/狀態(tài)通信。然后，對內核互斥、初始化流程等一些重要的細節展開(kāi)了論述。最后提出了雙核任務(wù)分工的兩種應用模型，并分別舉例。

背景與基本概念

在開(kāi)發(fā)MCU應用系統時(shí)，如果單顆MCU無(wú)法滿(mǎn)足系統的要求，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。如果換一種思路，讓MCU內部包含兩個(gè)內核，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系統的強大，又能避免多機系統的不足。

事實(shí)上，這即是“非對稱(chēng)多處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)AMP)”架構的特點(diǎn)。AMP是與“對稱(chēng)多處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)SMP)”相對的架構，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)在于精細的任務(wù)分工，靈活地適應不同情景，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應用領(lǐng)域，AMP較SMP更為適合。

與獨立的雙MCU相比，AMP架構有很多優(yōu)點(diǎn)。其中相當關(guān)鍵的就是，再添加一個(gè)內核的代價(jià)遠比添加一個(gè)獨立的MCU要低，尤其是當兩個(gè)內核架構相似時(shí)，甚至僅相當于在現有硅片上再添加一兩個(gè)UART。另一方面，兩個(gè)內核可以有相同的主頻，并且可以通過(guò)總線(xiàn)矩陣平等地訪(fǎng)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)半導體公司新推出的LPC4300系列為例(尤以L(fǎng)PC4350型號為代表)，對AMP MCU進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

非對稱(chēng)雙核MCU的特點(diǎn)

AMP MCU一般用于相對大型的系統，這些系統對功能和性能都有較高的要求。在功能上，應支持較多的外設。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；外加一些獨有的邏輯可配置外設以及眾多傳統外設，適用于工控、能源、醫療、音頻、車(chē)載、電機、監控等眾多行業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

性能的改善則是AMP MCU的靈魂。內核、存儲器，以及總線(xiàn)架構對于性能有著(zhù)至關(guān)重要的影響。圖1展示了LPC4350的實(shí)現方式。

圖1：LPC4350的內核、存儲器以及總線(xiàn)連接圖。

首先是內核的選擇。LPC4350基于32位的ARM Cortex-M4和Cortex-M0內核(以下簡(jiǎn)稱(chēng)M4和M0)，兩個(gè)內核均可在高達204MHz的主頻下執行代碼。其中，M4以信號處理和浮點(diǎn)運算能力見(jiàn)長(cháng)，勝任很多原先要采用DSP才能滿(mǎn)足的應用，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?xún)?yōu)勢，正迅速吸引開(kāi)發(fā)人員從8/16位架構向上過(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(xiàn)，而并非沒(méi)有分塊。如若不然，則會(huì )出現兩個(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)內核！進(jìn)一步，LPC4350還有兩條總線(xiàn)連接到外部擴展的并行和串行存儲器，故總共有6個(gè)獨立的存儲器地址空間——LPC4350無(wú)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(xiàn)架構。LPC4350內部有一個(gè)八層總線(xiàn)矩陣。它如同一組縱橫開(kāi)關(guān)，可以把CPU與包括存儲器在內的眾多從設備通過(guò)總線(xiàn)任意連接。合理分配總線(xiàn)接通關(guān)系，避免多個(gè)主設備(如CPU和DMA)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)相同的存儲器或外設，可以最大地保證各條數據流并行不悖，從而可以充分發(fā)揮性能上的優(yōu)勢。

內核間通信

內核間的通信可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是控制與狀態(tài)信息的通信，另一類(lèi)則是數據通信。前者一般不攜帶數據，但往往有較高的實(shí)時(shí)要求；后者則主要是各類(lèi)數據緩沖區，通常實(shí)時(shí)性要求偏低但數據量大?？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(lèi)通信適合由系統軟件實(shí)現并提供編程接口。數據通信則往往與具體應用相關(guān)較大(尤其是在數據結構上)，需要量體裁衣。在實(shí)現時(shí)，適合由應用軟件定義各種數據結構。

內核間通過(guò)共享的RAM進(jìn)行通信，并且每個(gè)內核都可以觸發(fā)對方的一個(gè)中斷源，通過(guò)準備數據-觸發(fā)中斷的方式進(jìn)行通信，如圖2所示。當然，內核也可以定期檢查共享RAM的狀態(tài)。

圖2：內核間使用共享內存通信模式圖。

接下來(lái)，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(kāi)設兩個(gè)消息隊列，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)隊列的地址需事先約定好。隊列是循環(huán)隊列，可以使用簡(jiǎn)單的數組配以讀、寫(xiě)下標來(lái)實(shí)現，也可以使用鏈表結構來(lái)實(shí)現。前者實(shí)現簡(jiǎn)單、開(kāi)銷(xiāo)小，但消息只能是定長(cháng)，不便于攜帶其它信息，還有，就是必須把數組放置在共享內存區連續的位置，靈活性低?；阪湵淼膶?shí)現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，還可以根據消息類(lèi)別攜帶各種各樣的附加參數，并且可以由系統軟件的內存管理機制靈活分配消息內存，不過(guò)，缺點(diǎn)是相對復雜，額外開(kāi)銷(xiāo)大。若涉及動(dòng)態(tài)內存管理，實(shí)時(shí)性將遠不如基于數組的方案。

消息隊列有一個(gè)缺點(diǎn)，就是消息的串行化處理，它沒(méi)有優(yōu)先級的概念。但實(shí)際上，我們有實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)及嵌套中斷機制的支持，本應實(shí)現消息的并發(fā)處理。

消息池：消息池在存儲結構上其實(shí)是簡(jiǎn)化的基于數組的消息隊列——去掉了隊列的讀、寫(xiě)下標記錄器。池中每個(gè)元素是一個(gè)消息，并且有一個(gè)字節指示每個(gè)元素的狀態(tài)——空閑/已處理、新、半處理。當發(fā)送方寫(xiě)入消息時(shí)，掃描數組以查找空閑位置；當接收方讀取消息時(shí)，也是掃描數組以查找狀態(tài)?？梢?jiàn)，消息池是基于優(yōu)先級來(lái)處理消息的——小下標的元素優(yōu)先得到處理。

消息池的可掃描性實(shí)現了消息的并發(fā)處理，并且可以通過(guò)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，執行消息中(如果有的話(huà))對實(shí)時(shí)性要求較高的部分。如果系統中沒(méi)有使用RTOS，可以在后臺的主循環(huán)中,再接下來(lái)二次掃描消息池,以完成第二次處理。對于使用了RTOS的系統，可以根據消息的優(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。

若干重要的細節

內核互斥：偽并行的多任務(wù)之間需要互斥訪(fǎng)問(wèn)共享資源，真并行的內核之間更是如此。尤其關(guān)鍵的是，一個(gè)內核無(wú)法關(guān)閉另一個(gè)內核的中斷，因此還無(wú)法通過(guò)關(guān)中斷臨界區來(lái)保護。唯一能保證的，就是不會(huì )出現兩個(gè)內核同時(shí)存取相同的地址。另外，由于架構上的局限，無(wú)法使用“自旋鎖”來(lái)互斥。為此，我們可以通過(guò)施加一些編程準則來(lái)實(shí)現互斥。最簡(jiǎn)易有效的方法，就是在相同地址上給每個(gè)內核分別設置“只讀”或“只寫(xiě)”的權限，或者是有條件的讀寫(xiě)權限。比如，對于消息隊列的讀位置，只有接收方可以寫(xiě)，而發(fā)送方只能讀取來(lái)判斷隊列是否空/滿(mǎn)。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(xiě)，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，對于鏈表結構，可以只允許發(fā)送方更新各種指針；接收方通過(guò)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。內核鑒別：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)需要鑒別當前正在哪個(gè)內核上運行。這有兩種方法，分別用于不同場(chǎng)合：如果在編譯期間鑒別即可，則可以在編譯器設置中，預定義諸如“CORE_M4”和“CORE_M0”的宏，使用C/C++的條件編譯來(lái)處