AUTOSAR架構(gòu)下的多核通信介紹

前言

隨著汽車ECU迅速的往域控制器方向發(fā)展，ECU要處理的任務(wù)越來越多，單核CPU的負(fù)載越來越大，多核ECU勢在必行。AUTOSAR架構(gòu)下OS支持多核處理，本系列文章將詳細(xì)介紹AUTOSAR架構(gòu)下的多核機(jī)制。本文介紹AUTOSAR架構(gòu)下的多核通信。

問題 1： 什么是共享內(nèi)存（Shared Memory），共享內(nèi)存需要在鏈接文件中特別指定嗎？

問題 2：如果要指定共享內(nèi)存，該怎么指定？

問題3： 用于多核通信的共享內(nèi)存一定需要使用SpinLock進(jìn)行一致性保護(hù)嗎？

問題4： 如何確保單核中的數(shù)據(jù)一致性？

參考文檔：

AUTOSAR架構(gòu)下多核啟動(dòng)

AUTOSAR架構(gòu)下多核Shutdown

TC3xx芯片MPU介紹

MPU功能詳解-以RH850U2A為例

縮略詞

注：本文章引用了一些第三方工具和文檔，若有侵權(quán)，請聯(lián)系作者刪除!

正文

1.多核通信介紹

使用多核的ECU避免不了需要考慮跨核通信，如下圖所示，跨核通信時(shí)使用RTE進(jìn)行跨核通信時(shí)，AUTOSAR定義了標(biāo)準(zhǔn)的IOC通信，用戶只需要配置SWC的端口接口進(jìn)行Mapping，IOC的具體實(shí)現(xiàn)由RTE/OS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不用用戶再做其他的操作。如果不使用RTE進(jìn)行多核通信，沒有標(biāo)準(zhǔn)的接口可以使用，需要用戶自定義跨核通信，著重需要考慮跨核通信的共享內(nèi)存及數(shù)據(jù)一致性保護(hù)。

Figure 1: 多核通信

2.多核間標(biāo)準(zhǔn)通信

多核間通信一定是跨OS-Application的通信（OS-Application不能跨核，所以兩個(gè)不同核上的SWC一定隸屬于不同的OS-Application），而“IOC”負(fù)責(zé)操作OS-Application之間的通信，特別是跨越核或內(nèi)存保護(hù)邊界的通信。

2.1 什么是IOC

IOC全稱為Inter-OS-Application Communication，專門用于跨OS-Application的通信方式，特別的，跨越核或內(nèi)存保護(hù)邊界的通信一般都使用IOC通信。

2.2 IOC的適用范圍

IOC的具體實(shí)現(xiàn)由RTE和OS實(shí)現(xiàn)，所以，IOC只適用于通過RTE交互的SWC間的跨OS-Application的通信，或通過RTE交互的SWC和BSW跨OS-Application通信，或者通過RTE交互的CDD和SWC或者CDD和CDD間的跨OS-Application通信。總之，不經(jīng)過RTE的通信不適用IOC通信。

2.3 IOC的通信種類

IOC不支持Client-Server的通信，只支持Sender-Receiver的通信方式，SWC間的Client-Server通信在RTE/OS的具體實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)變?yōu)?Sender-Receiver的通信方式。也就是說對于SWC的開發(fā)者來說，不用做任何的更改，C-S的接口依然可以繼續(xù)使用。

從IOC的Senders和Receivers個(gè)數(shù)來分：IOC支持1:1, N:1, N:M的通信方式。

從是否帶Notification的角度來分：IOC分為帶Notification和不帶Notification的通信方式。

IOC通信支持隊(duì)列緩存（queue buffer）,1:1和N:1通信方式支持隊(duì)列，N:M通信方式不支持隊(duì)列，1:1的通信方式一般不使用隊(duì)列，N:1通信方式一般使用隊(duì)列。

2.3 IOC通信配置

兩個(gè)SWC如果使用IOC通信的話，接口配置和不使用IOC通信完全一樣。

配置Data Type

配置Interface

配置P-port和R-Port

進(jìn)行P-port和R-port連接（Mapping）

不過，兩個(gè)SWC如果要使用IOC跨核（跨OS-Application）通信，這兩個(gè)SWC的Runnable所在的Task一定時(shí)歸屬于兩個(gè)核上的不同OS-Application,這樣進(jìn)行Port連接后，RTE和OS會(huì)自動(dòng)為兩個(gè)SWC生產(chǎn)IOC通信接口和具體實(shí)現(xiàn)。

2.4 IOC通信的共享內(nèi)存和數(shù)據(jù)保護(hù)

IOC通信的具體實(shí)現(xiàn)由共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)，共享內(nèi)存的跨核間數(shù)據(jù)一致性保護(hù)由Spin lock保證，共享內(nèi)存的核內(nèi)Task間的數(shù)據(jù)一致性保護(hù)由開/關(guān)全局中斷的方式保證。共享內(nèi)存和數(shù)據(jù)一致性保護(hù)都由OS來自動(dòng)生成和保證。

Note: 如果IOC通信間的數(shù)據(jù)長度小于等于4 Bytes，那么RTE/OS不會(huì)為其生成Spin lock和開關(guān)中斷的配置代碼，因?yàn)?2bit的MCU的一次機(jī)器周期操作能完成4字節(jié)數(shù)據(jù)的操作，保證了數(shù)據(jù)的原子操作。

2.5 IOC通信需要注意的其他點(diǎn)

單核內(nèi)如果存在多個(gè)OS-Application，且OS-Application間由內(nèi)存保護(hù)的邊界（boundaries

），這種單核場景也適用IOC通信。

在只有一個(gè)Core的系統(tǒng)中，如果只有一個(gè)OS-Application，或者如果沒有OS-Application使用內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，那么IOC可以被完全省略。

帶Notification的IOC適用二類中斷ISR來通知Receivers數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)shared buffer，能保證Receiver及時(shí)的取得數(shù)據(jù)。

2.6 IOC通信的示例

2.6.1 SWC間通過S-R方式1:1通信且沒有Notification

如圖2所示，Core 0上的SWC通過RTE接口給Core 1上的SWC發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端的可運(yùn)行實(shí)體被定期調(diào)用（調(diào)度表或者Alarm機(jī)制實(shí)現(xiàn)），并通過RTE接收數(shù)據(jù)。

由于通信跨越了核心邊界，RTE調(diào)用IOC將數(shù)據(jù)從Core0傳輸?shù)紺ore1。

數(shù)據(jù)發(fā)送方調(diào)用

Rte_Send__ (..., )

Rte_Write_SWC_PortName(VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC) data) /* 2 */
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  rtn = ((VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC))RTE_E_OK);
  (void)IocWrite_Rte_Rx_000139(data);
  return rtn;
}

RTE將其mapped 到

IocSend_ ()

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocWrite_Rte_Rx_000139(const rt_Array_uint8_8 *value)
{ 
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(&Os_Ioc_Rte_Rx_000139, value, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

Figure 2: IOC without notification

在本例中，IocSend服務(wù)將數(shù)據(jù)寫入一個(gè)緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)位于一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)中，接收方可以通過IOC讀取該數(shù)據(jù)。在接收端，接收可運(yùn)行程序被定期調(diào)用。

Rte_Receive__ (..., )

Rte_Read_SWC_PortName(CONSTP2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA) data) 
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  (void)IocRead_Rte_Rx_000139(((P2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA))data));
  rtn = Rte_Rx_000139_status;
  return rtn;
}

RTE將其mapped 到

IocReceive_ ()

調(diào)用以從IOC內(nèi)部隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)。1：1通信不需要RTE中的附加隊(duì)列。

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocRead_Rte_Rx_000138(rt_Array_uint8_8 *value) {
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(value, &Os_Ioc_Rte_Rx_000138, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

這種無通知的端口對端口通信適用于：

Sender/Receiver通信

隊(duì)列或者非隊(duì)列通信

1:1通信方式

2.6.2 SWC間通過C-S方式通信有Notification

當(dāng)數(shù)據(jù)寫入IOC內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存后，Rte函數(shù)調(diào)用OS的服務(wù)來激活接收任務(wù)。這種通信方式適用于：

帶Notification的SWC間的Sender/receiver通信；

Client/server通信。

隊(duì)列或非隊(duì)列通信；

非polling模式的1:1通信；

N:1通信。

Figure2: IOC with notification by RTE

用長度為100的隊(duì)列方式實(shí)現(xiàn)。

Std_ReturnType IocReceive_Rte_Rx_000022(uint8* value)
{
  *value = Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[read_index];
  read_index = (read_index == 100)? 0 : (read_index + 1U);
  return E_OK;
}


Std_ReturnType IocSend_Rte_Rx_000022(uint8 value)
{
  If ((read_index == 0 && write_index == 100)|| (read_index-write_index==1)) {
  return IOC_E_FULL;
  } else {
  Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[write_index] = val;
  write_index = (write_index == 100)? 0 : (write_index + 1U);
  Os_SetEvent(EventID);
  }
}

3.多核間非標(biāo)準(zhǔn)通信

從第2章節(jié)得知:

IOC通信的的共享內(nèi)存也就是OS定義的全局變量

對共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性保護(hù)也就是通過Spin Lock和開關(guān)中斷來實(shí)現(xiàn)，

共享內(nèi)存小于等于4 bytes，可以不使用Spin Lock和中斷保護(hù)

如果沒有開啟內(nèi)存保護(hù)（MPU），共享內(nèi)存可以分配在.default段（不用特別的去修改鏈接文件定義特殊的段），也就是任意可訪問RAM地址

只不過這些都由RTE和OS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，對于用戶只要做好Port連接即可。

那么對于不經(jīng)過RTE的多核通信，我們是否可以自己實(shí)現(xiàn)多核通信了？-- 肯定是可以的，下面我就列出一些多核通信的場景及應(yīng)該考慮的地方。

關(guān)于MPU請參考：

TC3xx芯片MPU介紹

4.總結(jié)

問題 1： 什么是共享內(nèi)存（Shared Memory），共享內(nèi)存需要在鏈接文件中特別指定嗎？

答：兩個(gè)或多個(gè)OS-Application都能訪問的內(nèi)存區(qū)域即為共享內(nèi)存區(qū)域。如果沒有使能MPU內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，任意定義的全局變量即為共享內(nèi)存變量。如果使能了MPU內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，就需要在鏈接文件中定義共享內(nèi)存段，同時(shí)需要配置MPU保護(hù)段并分配給OS-Application。

問題 2：如果要指定共享內(nèi)存，該怎么指定？

答：在鏈接文件中指定一塊內(nèi)存區(qū)域，然后配置MPU設(shè)置其讀寫訪問屬性，需要多核通信的OS-Application應(yīng)該包括該MPU配置即擁有對該共享內(nèi)存的讀寫訪問權(quán)限。

問題3： 用于多核通信的共享內(nèi)存一定需要使用Spin Lock進(jìn)行一致性保護(hù)嗎？

答：不一定。當(dāng)多核通信的數(shù)據(jù)小于等于4 Bytes(32-bit MCU)時(shí)CPU一個(gè)機(jī)器周期就能完成數(shù)據(jù)的讀寫，已經(jīng)是原子操作，不用使用Spin lock進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性保護(hù)。

問題4： 如何確保單核中的數(shù)據(jù)一致性？

答：使用開關(guān)/掛起全局核內(nèi)全局中斷。