非對(duì)稱(chēng)雙核MCU基礎(chǔ)知識(shí)及核間通信

消息隊(duì)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(jí)的概念。但實(shí)際上，我們有實(shí)時(shí)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(chǔ)結(jié)構(gòu)上其實(shí)是簡(jiǎn)化的基于數(shù)組的消息隊(duì)列——去掉了隊(duì)列的讀、寫(xiě)下標(biāo)記錄器。池中每個(gè)元素是一個(gè)消息，并且有一個(gè)字節(jié)指示每個(gè)元素的狀態(tài)——空閑/已處理、新、半處理。當(dāng)發(fā)送方寫(xiě)入消息時(shí)，掃描數(shù)組以查找空閑位置;當(dāng)接收方讀取消息時(shí)，也是掃描數(shù)組以查找狀態(tài)?？梢?jiàn)，消息池是基于優(yōu)先級(jí)來(lái)處理消息的——小下標(biāo)的元素優(yōu)先得到處理。

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(zhí)行消息中(如果有的話(huà))對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的部分。如果系統(tǒng)中沒(méi)有使用RTOS，可以在后臺(tái)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(duì)于使用了RTOS的系統(tǒng)，可以根據(jù)消息的優(yōu)先級(jí)，創(chuàng)建或激活不同優(yōu)先級(jí)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(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(jí)的消息鏈成一串，從而徹底消除這一局限。

若干重要的細(xì)節(jié)

內(nèi)核互斥：偽并行的多任務(wù)之間需要互斥訪問(wèn)共享資源，真并行的內(nèi)核之間更是如此。尤其關(guān)鍵的是，一個(gè)內(nèi)核無(wú)法關(guān)閉另一個(gè)內(nèi)核的中斷，因此還無(wú)法通過(guò)關(guān)中斷臨界區(qū)來(lái)保護(hù)。唯一能保證的，就是不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)核同時(shí)存取相同的地址。另外，由于架構(gòu)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(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥。最簡(jiǎn)易有效的方法，就是在相同地址上給每個(gè)內(nèi)核分別設(shè)置“只讀”或“只寫(xiě)”的權(quán)限，或者是有條件的讀寫(xiě)權(quán)限。比如，對(duì)于消息隊(duì)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(duì)列是否空/滿(mǎn)。又如，對(duì)于消息池，盡管發(fā)送方和接收方對(duì)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(duì)于鏈表結(jié)構(gòu)，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(jī)。

內(nèi)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(dāng)前正在哪個(gè)內(nèi)核上運(yùn)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(shè)置中，預(yù)定義諸如“CORE_M4”和“CORE_M0”的宏，使用C/C++的條件編譯來(lái)處理;若需要在運(yùn)行期間區(qū)分，可以讀取一個(gè)名為“CPUID”的寄存器，根據(jù)CPUID的值來(lái)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(kāi)始執(zhí)行代碼，而M0卻一直保持在復(fù)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(zhǔn)備好開(kāi)始執(zhí)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(dāng)M0處在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，我們可以通過(guò)JTAG發(fā)現(xiàn)M0，但是卻無(wú)法操作它。因此，如果要調(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(nèi)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(zhuǎn)換成C數(shù)組定義格式的功能。通過(guò)這個(gè)功能，我們把M0的映像轉(zhuǎn)換成一個(gè)C數(shù)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(zhǔn)備讓M0執(zhí)行的位置。由于M0固定從零地址開(kāi)始取向量，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(dòng)協(xié)控”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，也是被AMP普遍采用的。

調(diào)試時(shí)的細(xì)節(jié)：當(dāng)我們使用調(diào)試仿真器連接MCU時(shí)，通常都會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但范圍可僅限于內(nèi)核，也可復(fù)位全片。在調(diào)試M0時(shí)，需設(shè)置復(fù)位范圍僅包括M0，避免殃及正在運(yùn)行的M4。另外，也需要編寫(xiě)適當(dāng)?shù)恼{(diào)試初始化腳本，以準(zhǔn)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(shí)調(diào)試M4和M0：只需運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的IDE進(jìn)程，分別打開(kāi)相應(yīng)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(qiáng)大的處理能力，但是作為一個(gè)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，才能利用雙核設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。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(yīng)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(tǒng)的中斷管理產(chǎn)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)，當(dāng)然，也還有中斷服務(wù)程序本身執(zhí)行的開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)中斷的頻率很高時(shí)(比如：高達(dá)幾十甚至幾百kHz)，中斷的響應(yīng)將對(duì)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(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(jí)如何。DMA明顯改善了這一狀況。但是當(dāng)DMA通道或總線(xiàn)分配不足，或者是設(shè)備不受DMA支持時(shí)，我們就可以讓M0來(lái)響應(yīng)這些高頻的中斷，合理組織數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而如同一個(gè)智能的DMA一樣。

例如：在調(diào)光設(shè)備中，需要進(jìn)行多達(dá)幾十甚至上百路的AD采樣來(lái)獲取每路燈光的預(yù)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(shù)目。因此，在實(shí)現(xiàn)AD采樣與軟件PWM時(shí)，均需要快速的通道數(shù)據(jù)流處理與高頻LED刷新，以保證PWM精度。這兩者很容易導(dǎo)致高達(dá)幾十kHz的中斷請(qǐng)求，僅中斷響應(yīng)的額外開(kāi)銷(xiāo)就可占用一半以上的CPU時(shí)間。傳統(tǒng)的做法是使用若干顆MCU來(lái)分?jǐn)偛⒂芍骺剌喸?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(yīng)用，它需要快速地刷新多路控制。