應(yīng)用非對稱雙核MCU增強系統(tǒng)性能

初始化與可執(zhí)行映像：LPC4350在完成上電復位后，M4開始執(zhí)行代碼，而M0卻一直保持在復位狀態(tài)。這樣，我們也可以無視M0的存在，而只按單核MCU來使用。為使用M0，需要讓M4為M0準備好開始執(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M0處在復位狀態(tài)時，我們可以通過JTAG發(fā)現(xiàn)M0，但是卻無法操作它。因此，如果要調(diào)試M0的程序，需要先給M4下載適當?shù)挠诚瘢蛊溽尫臡0才可，不可能在拿到一個空白的芯片后，直接先從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的源文件一同編譯連接，這樣一來，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(zhí)行的位置。由于M0固定從零地址開始取向量，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“主控帶動協(xié)控”的設(shè)計哲學，也是被AMP普遍采用的。

調(diào)試時的細節(jié)：當我們使用調(diào)試仿真器連接MCU時，通常都會產(chǎn)生復位信號，但范圍可僅限于內(nèi)核，也可復位全片。在調(diào)試M0時，需設(shè)置復位范圍僅包括M0，避免殃及正在運行的M4。另外，也需要編寫適當?shù)恼{(diào)試初始化腳本，以準備好內(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：只需運行兩個獨立的IDE進程，分別打開相應(yīng)的工程即可。經(jīng)實踐，至少在MDK+ULINK下可行。

核間任務(wù)分工

M0沒有M4強大的處理能力，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(shè)計的優(yōu)勢。接下來，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，當然，也還有中斷服務(wù)程序本身執(zhí)行的開銷。當中斷的頻率很高時(比如：高達幾十甚至幾百kHz)，中斷的響應(yīng)將對CPU時間產(chǎn)生不可忽略的額外開銷。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)先級如何。DMA明顯改善了這一狀況。但是當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)，而如同一個智能的DMA一樣。

例如：在調(diào)光設(shè)備中，需要進行多達幾十甚至上百路的AD采樣來獲取每路燈光的預期亮度，以及同樣多的LED來指示實際輸出的亮度。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，在實現(xiàn)AD采樣與軟件PWM時，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。這兩者很容易導致高達幾十kHz的中斷請求，僅中斷響應(yīng)的額外開銷就可占用一半以上的CPU時間。傳統(tǒng)的做法是使用若干顆MCU來分攤并由主控輪詢。在LPC4350下，則可由M0來處理這些任務(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。

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，以及簡單的數(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)運動控制中，對于電機的控制往往需要運算量很大的算法，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來運行電機控制算法，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嵌入式音頻——由M4執(zhí)行音頻編解碼與音效處理算法，而M0則負責音頻總線、USB等事務(wù)。

本文小結(jié)

通過以上的介紹可以看出，相比傳統(tǒng)的使用多顆MCU的方案，非對稱雙核MCU在性能、成本、功耗、生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)都有明顯的優(yōu)勢。核間通信稍顯復雜，但作為基礎(chǔ)設(shè)施可由底層系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。在具體開發(fā)時，應(yīng)根據(jù)實際問題合理分配任務(wù)，并且在初始化流程、內(nèi)核鑒別以及調(diào)試上，需注意一些操作細節(jié)。

作者：宋巖

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