應用非對稱(chēng)雙核MCU增強系統性能

初始化與可執行映像：LPC4350在完成上電復位后，M4開(kāi)始執行代碼，而M0卻一直保持在復位狀態(tài)。這樣，我們也可以無(wú)視M0的存在，而只按單核MCU來(lái)使用。為使用M0，需要讓M4為M0準備好開(kāi)始執行的全部環(huán)境，包括寄存器上下文與地址空間等，然后釋放M0。當M0處在復位狀態(tài)時(shí)，我們可以通過(guò)JTAG發(fā)現M0，但是卻無(wú)法操作它。因此，如果要調試M0的程序，需要先給M4下載適當的映像，使其釋放M0才可，不可能在拿到一個(gè)空白的芯片后，直接先從M0動(dòng)手。

盡管M4與M0各有自己的映像，但是我們可以把M0的映像內含于M4的映像中，這樣在生產(chǎn)時(shí)只需要燒寫(xiě)一次閃存。為了并入M0的映像，工具鏈通常會(huì )提供把映像轉換成C數組定義格式的功能。通過(guò)這個(gè)功能，我們把M0的映像轉換成一個(gè)C數組的表格，并且把它和M4的源文件一同編譯連接，這樣一來(lái)，M0的映像就嵌入到M4的映像中了。M4在初始化期間，要把M0的映像拷貝到準備讓M0執行的位置。由于M0固定從零地址開(kāi)始取向量，M4還需要設置M0的地址映射，把映像的首地址設置成為M0的零地址。

值得一提的是，這種“主控帶動(dòng)協(xié)控”的設計哲學(xué)，也是被AMP普遍采用的。

調試時(shí)的細節：當我們使用調試仿真器連接MCU時(shí)，通常都會(huì )產(chǎn)生復位信號，但范圍可僅限于內核，也可復位全片。在調試M0時(shí)，需設置復位范圍僅包括M0，避免殃及正在運行的M4。另外，也需要編寫(xiě)適當的調試初始化腳本，以準備好內核的執行環(huán)境。這些工作繁瑣，但具有高度的通用性，我們可以借鑒現有的腳本。

我們可以同時(shí)調試M4和M0：只需運行兩個(gè)獨立的IDE進(jìn)程，分別打開(kāi)相應的工程即可。經(jīng)實(shí)踐，至少在MDK+ULINK下可行。

核間任務(wù)分工

M0沒(méi)有M4強大的處理能力，但是作為一個(gè)CPU，亦有完整的中斷系統和基本的算術(shù)與數據傳送能力，并且在LPC4350上，可以在高達204MHz的主頻下運行。合理地分擔一些任務(wù)給M0，才能利用雙核設計的優(yōu)勢。接下來(lái)，我們討論兩種主要的任務(wù)分工模型。

處理高頻中斷——智能“DMA”：中斷的響應是有額外開(kāi)銷(xiāo)的：既包括CPU的中斷模型本身產(chǎn)生的硬件開(kāi)銷(xiāo)，也包括操作系統的中斷管理產(chǎn)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)，當然，也還有中斷服務(wù)程序本身執行的開(kāi)銷(xiāo)。當中斷的頻率很高時(shí)(比如：高達幾十甚至幾百kHz)，中斷的響應將對CPU時(shí)間產(chǎn)生不可忽略的額外開(kāi)銷(xiāo)。更重要的是，中斷的響應是由硬件處理，并凌駕于任務(wù)管理之上的，這可以影響任何任務(wù)的執行而不論其優(yōu)先級如何。DMA明顯改善了這一狀況。但是當DMA通道或總線(xiàn)分配不足，或者是設備不受DMA支持時(shí)，我們就可以讓M0來(lái)響應這些高頻的中斷，合理組織數據緩沖區，而如同一個(gè)智能的DMA一樣。

例如：在調光設備中，需要進(jìn)行多達幾十甚至上百路的AD采樣來(lái)獲取每路燈光的預期亮度，以及同樣多的LED來(lái)指示實(shí)際輸出的亮度。后者需要非常多的PWM，極可能已超出硬件PWM通道的數目。因此，在實(shí)現AD采樣與軟件PWM時(shí)，均需要快速的通道數據流處理與高頻LED刷新，以保證PWM精度。這兩者很容易導致高達幾十kHz的中斷請求，僅中斷響應的額外開(kāi)銷(xiāo)就可占用一半以上的CPU時(shí)間。傳統的做法是使用若干顆MCU來(lái)分攤并由主控輪詢(xún)。在LPC4350下，則可由M0來(lái)處理這些任務(wù)。同樣的例子也適用于PLC應用，它需要快速地刷新多路控制。

為弱計算操作提供額外的處理能力：M0的整體性能約是M4的72%，但對于弱計算操作(如：加減乘與邏輯運算，移位，以及簡(jiǎn)單的數據傳送)，并沒(méi)有太多劣勢。弱計算操作在程序中往往占一半以上的比例，尤其體現在驅動(dòng)程序及一些通信協(xié)議棧上。合理地分配一部分弱計算操作任務(wù)給M0，可以有效提升整體的處理能力。這樣，完成相同的任務(wù)只需更低的主頻，而降低功耗，或者反過(guò)來(lái)，能夠在有限的主頻下完成需求更大的任務(wù)。

例如：在高精密工業(yè)運動(dòng)控制中，對于電機的控制往往需要運算量很大的算法，同時(shí)又要處理如CAN、工業(yè)以太網(wǎng)，以及各種現場(chǎng)總線(xiàn)的通信。我們可以讓M4來(lái)運行電機控制算法，而通信協(xié)議棧與驅動(dòng)程序則由M0來(lái)完成。同樣的例子也適用于嵌入式音頻——由M4執行音頻編解碼與音效處理算法，而M0則負責音頻總線(xiàn)、USB等事務(wù)。

本文小結

通過(guò)以上的介紹可以看出，相比傳統的使用多顆MCU的方案，非對稱(chēng)雙核MCU在性能、成本、功耗、生產(chǎn)等諸多環(huán)節都有明顯的優(yōu)勢。核間通信稍顯復雜，但作為基礎設施可由底層系統軟件來(lái)實(shí)現。在具體開(kāi)發(fā)時(shí)，應根據實(shí)際問(wèn)題合理分配任務(wù)，并且在初始化流程、內核鑒別以及調試上，需注意一些操作細節。

作者：宋巖

高級應用工程師

恩智浦半導體