2023年03月20日 | 浅析非对称双核MCU基础知识及核间通信

　　本文从对比两颗分立MCU与单芯片双核MCU开始（以LPC4350为例），展开介绍了非对称双核MCU的基础知识与重要特点。接下来，重点介绍了核间通信的概念与几种实现方式，尤其是基于消息池的控制/状态通信。然后，对内核互斥、初始化流程等一些重要的细节展开了论述。最后提出了双核任务分工的两种应用模型，并分别举例。

　　背景与基本概念

　　在开发MCU应用系统时，如果单颗MCU无法满足系统的要求，一个很普遍的做法就是使用两颗或更多的MCU，把一部分“杂项工作”分配给另一个有“助理”性质的低端MCU来完成。但是，采用两颗MCU，缺点也很明显，尤其是在芯片与PCB成本、系统可靠性及功耗方面都有先天的不足。此外，若采用了不同架构的MCU，还要面临需要不同的开发工具与开发人员的挑战。如果换一种思路，让MCU内部包含两个内核，其中一个用于主控，另一个用于协控，并且它们主控与协控在架构上能够向下兼容、高效通信，则在很多场合下都可以既保持多机系统的强大，又能避免多机系统的不足。

　　事实上，这即是“非对称多处理器（简称AMP）”架构的特点。AMP是与“对称多处理器（简称SMP）”相对的架构，后者各处理器有一致的编程模型，并且在分配工作时主要以均衡为原则。而AMP的优点在于精细的任务分工，灵活地适应不同情景，物尽其用，以最佳地平衡成本、性能与功耗。此外，AMP的编程难度也更低。因此，在MCU应用领域，AMP较SMP更为适合。

　　与独立的双MCU相比，AMP架构有很多优点。其中相当关键的就是，再添加一个内核的代价远比添加一个独立的MCU要低，尤其是当两个内核架构相似时，甚至仅相当于在现有硅片上再添加一两个UART。另一方面，两个内核可以有相同的主频，并且可以通过总线矩阵平等地访问片上资源。而在分立的双MCU方案中，协控MCU的主频常常远低于主控，并且双方使用低速的串行链路通信。

　　接下来，我们以恩智浦（NXP）半导体公司推出的LPC4300系列为例（尤以LPC4350型号为代表），对AMP MCU进行简单介绍。

　　非对称双核MCU的特点

　　AMP MCU一般用于相对大型的系统，这些系统对功能和性能都有较高的要求。在功能上，应支持较多的外设。LPC4350片载2个高速USB、2个CAN、工业以太网、图形LCD控制器，以及SDHC等接口;外加一些独有的逻辑可配置外设以及众多传统外设，适用于工控、能源、医疗、音频、车载、电机、监控等众多行业产品的开发。

　　性能的改善则是AMP MCU的灵魂。内核、存储器，以及总线架构对于性能有着至关重要的影响。

　　首先是内核的选择。LPC4350基于32位的ARM Cortex-M4和Cortex-M0内核（以下简称M4和M0），两个内核均可在高达204MHz的主频下执行代码。其中，M4以信号处理和浮点运算能力见长，胜任很多原先要采用DSP才能满足的应用，并且继承了Cortex-M3的控制能力;另一方面，M0以其成本、能效和处理能力的压倒性优势，正迅速吸引开发人员从8/16位架构向上过渡。更重要的是，M4完全向下兼容M0，使用同一套开发工具即可开发、调试。

　　其次是存储器的容量和组织方式。LPC4350配备多达264KB片上RAM，并且这些RAM被划分成4组，每组连接一条单独的总线，而并非没有分块。如若不然，则会出现两个核竞争使用同一块RAM的情况——性能反而还不如只用单个内核！进一步，LPC4350还有两条总线连接到外部扩展的并行和串行存储器，故总共有6个独立的存储器地址空间——LPC4350无片上闪存。对于有片上闪存的型号，片上闪存也分为两块。

　　最后是总线架构。LPC4350内部有一个八层总线矩阵。它如同一组纵横开关，可以把CPU与包括存储器在内的众多从设备通过总线任意连接。合理分配总线接通关系，避免多个主设备（如CPU和DMA）同时访问相同的存储器或外设，可以最大地保证各条数据流并行不悖，从而可以充分发挥性能上的优势。

　　内核间通信

　　内核间的通信可分为两类：一类是控制与状态信息的通信，另一类则是数据通信。前者一般不携带数据，但往往有较高的实时要求;后者则主要是各类数据缓冲区，通常实时性要求偏低但数据量大。控制/状态通信有较大的通用性，并且与任务间的同步较为相似。这类通信适合由系统软件实现并提供编程接口。数据通信则往往与具体应用相关较大（尤其是在数据结构上），需要量体裁衣。在实现时，适合由应用软件定义各种数据结构。

　　内核间通过共享的RAM进行通信，并且每个内核都可以触发对方的一个中断源，通过准备数据-触发中断的方式进行通信，如图2所示。当然，内核也可以定期检查共享RAM的状态。

　　图2：内核间使用共享内存通信模式图

　　接下来，我们介绍基于消息队列和消息池的控制/状态通信方案。

　　消息队列：开设两个消息队列，一个用于M4发送消息给M0，另一个则是M0发送消息给M4。两个队列的地址需事先约定好。队列是循环队列，可以使用简单的数组配以读、写下标来实现，也可以使用链表结构来实现。前者实现简单、开销小，但消息只能是定长，不便于携带其它信息，还有，就是必须把数组放置在共享内存区连续的位置，灵活性低。基于链表的实现用指针链接每则消息，每则消息除了公共的链表控制部分外，还可以根据消息类别携带各种各样的附加参数，并且可以由系统软件的内存管理机制灵活分配消息内存，不过，缺点是相对复杂，额外开销大。若涉及动态内存管理，实时性将远不如基于数组的方案。