應(yīng)用非對稱雙核MCU增強(qiáng)系統(tǒng)性能

1、應(yīng)用非對稱雙核mcu增強(qiáng)系統(tǒng)性能 圖2：內(nèi)核間用法分享內(nèi)存通信模式圖 接下來，我們介紹基于消息隊(duì)列和消息池的控制/狀態(tài)通信計劃。消息隊(duì)列：開設(shè)兩個消息隊(duì)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(duì)列的地址需事先商定好。隊(duì)列是循環(huán)隊(duì)列，可以用法容易的數(shù)組配以讀、寫下標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，也可以用法鏈表結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。前者實(shí)現(xiàn)容易、開銷小，但消息只能是定長，不便于攜帶其它信息，還有，就是必需把數(shù)組放置在分享內(nèi)存區(qū)延續(xù)的位置，靈便性低?；阪湵淼膶?shí)現(xiàn)用指針鏈接每則消息，每則消息除了公共的鏈表控制部格外，還可以按照消息類別攜帶各式各樣的附加參數(shù)，并且可以由系統(tǒng)軟件的內(nèi)存管理機(jī)制靈便分配消息內(nèi)存

2、，不過，缺點(diǎn)是相對復(fù)雜，額外開銷大。若涉及動態(tài)內(nèi)存管理，實(shí)時性將遠(yuǎn)不如基于數(shù)組的計劃。消息隊(duì)列有一個缺點(diǎn)，就是消息的串行化處理，它沒有優(yōu)先級的概念。但事實(shí)上，我們有實(shí)時操作系統(tǒng)（rtos）及嵌套中斷機(jī)制的支持，本應(yīng)實(shí)現(xiàn)消息的并發(fā)處理。消息池：消息池在存儲結(jié)構(gòu)上其實(shí)是簡化的基于數(shù)組的消息隊(duì)列去掉了隊(duì)列的讀、寫下標(biāo)志錄器。池中每個元素是一個消息，并且有一個字節(jié)指示每個元素的狀態(tài)空閑/已處理、新、半處理。當(dāng)發(fā)送方寫入消息時，掃描數(shù)組以查找空閑位置；當(dāng)接收方讀取消息時，也是掃描數(shù)組以查找狀態(tài)?？梢?，消息池是基于優(yōu)先級來處理消息的小下標(biāo)的元素優(yōu)先得處處理。消息池的可掃描性實(shí)現(xiàn)了消息的并發(fā)處理，并且可以通

3、過中斷上下文和任務(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(zhí)行消息中（假如有的話）對實(shí)時性要求較高的部分。假如系統(tǒng)中沒有用法rtos，可以在后臺的主循環(huán)中，再接下來二次掃描消息池，以完成其次次處理。對于用法了rtos的系統(tǒng)，可以按照消息的優(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)的上下文中得到其次次處理。消息池的一大缺點(diǎn)就是不宜支持較大數(shù)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，從而徹底消退這一局限。若干重要的詳情內(nèi)核互斥：偽并行的多任務(wù)之間需要互斥拜訪分享資源，真并行的內(nèi)核之間

4、更是如此。尤其關(guān)鍵的是，一個內(nèi)核無法關(guān)閉另一個內(nèi)核的中斷，因此還無法通過關(guān)中斷臨界區(qū)來庇護(hù)。唯一能保證的，就是不會浮現(xiàn)兩個內(nèi)核同時存取相同的地址。另外，因?yàn)榧軜?gòu)上的局限，無法用法“自旋鎖”來互斥。為此，我們可以通過施加一些編程準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)互斥。最簡易有效的辦法，就是在相同地址上給每個內(nèi)核分離設(shè)置“只讀”或“只寫”的權(quán)限，或者是有條件的讀寫權(quán)限。比如，對于消息隊(duì)列的讀位置，惟獨(dú)接收方可以寫，而發(fā)送方只能讀取來推斷隊(duì)列是否空/滿。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，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(jié)構(gòu)，可

5、以只允許發(fā)送方更新各種指針；接收方通過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機(jī)。內(nèi)核鑒別：m4向下兼容m0，這使我們可以重用無數(shù)的源代碼。但是，有時需要鑒別當(dāng)前正在哪個內(nèi)核上運(yùn)行。這有兩種辦法，分離用于不同場合：假如在編譯期間鑒別即可，則可以在編譯器設(shè)置中，預(yù)定義諸如“core_m4”和“core_m0”的宏，用法c/c+的條件編譯來處理；若需要在運(yùn)行期間區(qū)別，可以讀取一個名為“cpuid”的寄存器，按照cpuid的值來判定是m4還是m0。初始化與可執(zhí)行映像：lpc4350在完成上電復(fù)位后，m4開頭執(zhí)行代碼，而m0卻向來保持在復(fù)位狀態(tài)。這樣，我們也可以無視m0的存在，而只按

6、單核mcu來用法。為用法m0，需要讓m4為m0預(yù)備好開頭執(zhí)行的所有環(huán)境，包括寄存器上下文與地址空間等，然后釋放m0。當(dāng)m0處在復(fù)位狀態(tài)時，我們可以通過jtag發(fā)覺m0，但是卻無法操作它。因此，假如要調(diào)試m0的程序，需要先給m4下載適當(dāng)?shù)挠诚?，使其釋放m0才可，不行能在拿到一個空白的芯片后，挺直先從m0動手。盡管m4與m0各有自己的映像，但是我們可以把m0的映像內(nèi)含于m4的映像中，這樣在生產(chǎn)時只需要燒寫一次閃存。為了并入m0的映像，工具鏈通常會提供把映像轉(zhuǎn)換成c數(shù)組定義格式的功能。通過這個功能，我們把m0的映像轉(zhuǎn)換成一個c數(shù)組的表格，并且把它和m4的源文件一同編譯銜接，這樣一來，m0的映像就嵌入

7、到m4的映像中了。m4在初始化期間，要把m0的映像拷貝到預(yù)備讓m0執(zhí)行的位置。因?yàn)閙0固定從零地址開頭取向量，m4還需要設(shè)置m0的地址映射，把映像的首地址設(shè)置成為m0的零地址。值得一提的是，這種“主控帶動協(xié)控”的設(shè)計哲學(xué)，也是被amp普遍采納的。調(diào)試時的詳情：當(dāng)我們用法調(diào)試器銜接mcu時，通常都會產(chǎn)生復(fù)位信號，但范圍可僅限于內(nèi)核，也可復(fù)位全片。在調(diào)試m0時，需設(shè)置復(fù)位范圍僅包括m0，避開殃及正在運(yùn)行的m4。另外，也需要編寫適當(dāng)?shù)恼{(diào)試初始化腳本，以預(yù)備好內(nèi)核的執(zhí)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(xiàn)有的腳本。我們可以同時調(diào)試m4和m0：只需運(yùn)行兩個自立的ide進(jìn)程，分離打開相應(yīng)

8、的工程即可。經(jīng)實(shí)踐，起碼在mdk+ulink下可行。核間任務(wù)分工m0沒有m4強(qiáng)大的處理能力，但是作為一個cpu，亦有完整的中斷系統(tǒng)和基本的算術(shù)與數(shù)據(jù)傳送能力，并且在lpc4350上，可以在高達(dá)204mhz的主頻下運(yùn)行。合理地分擔(dān)一些任務(wù)給m0，才干利用雙核設(shè)計的優(yōu)勢。接下來，我們研究兩種主要的任務(wù)分工模型。處理高頻中斷智能“dma”：中斷的響應(yīng)是有額外開銷的：既包括cpu的中斷模型本身產(chǎn)生的硬件開銷，也包括操作系統(tǒng)的中斷管理產(chǎn)生的軟件開銷，固然，也還有中斷服務(wù)程序本身執(zhí)行的開銷。當(dāng)中斷的頻率很高時（比如：高達(dá)幾十甚至幾百khz），中斷的響應(yīng)將對cpu時光產(chǎn)生不行忽視的額外開銷。更重要的是，中斷

9、的響應(yīng)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(zhí)行而不論其優(yōu)先級如何。dma顯然充實(shí)了這一情況。但是當(dāng)dma通道或總線分配不足，或者是設(shè)備不受dma支持時，我們就可以讓m0來響應(yīng)這些高頻的中斷，合理組織數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而猶如一個智能的dma一樣。例如：在調(diào)光設(shè)備中，需要舉行多達(dá)幾十甚至上百路的ad采樣來獵取每路燈光的預(yù)期亮度，以及同樣多的來指示實(shí)際輸出的亮度。后者需要十分多的，極可能已超出硬件pwm通道的數(shù)目。因此，在實(shí)現(xiàn)ad采樣與軟件pwm時，均需要迅速的通道數(shù)據(jù)流處理與高頻led刷新，以保證pwm精度。這兩者很簡單導(dǎo)致高達(dá)幾十khz的中斷哀求，僅中斷響應(yīng)的額外開銷就可占用一半

10、以上的cpu時光。傳統(tǒng)的做法是用法若干顆mcu來分?jǐn)偛⒂芍骺剌喸?。在lpc4350下，則可由m0來處理這些任務(wù)。同樣的例子也適用于應(yīng)用，它需要迅速地刷新多路控制。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：加減乘與規(guī)律運(yùn)算，移位，以及容易的數(shù)據(jù)傳送），并沒有太多劣勢。弱計算操作在程序中往往占一半以上的比例，尤其體現(xiàn)在驅(qū)動程序及一些通信協(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，或者反過來，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(yùn)動控制中，對于電機(jī)的控制往往需要運(yùn)算量很大的算法，同時又要處理如can、工業(yè)以太網(wǎng)，以及各種現(xiàn)場總線的通信。我們可以讓m4來運(yùn)行電機(jī)控制算法，而通信協(xié)議棧與驅(qū)動程序則由m0來完成。同樣的例子也適用于音頻由m4執(zhí)行音頻編解碼與音效處理算法，而m0則負(fù)責(zé)音頻總線、usb等