非對稱雙核MCU基礎(chǔ)知識及核間通信

　　本文從對比兩顆分立MCU與單芯片雙核MCU開始(以LPC4350為例)，展開介紹了非對稱雙核MCU的基礎(chǔ)知識與重要特點。接下來，重點介紹了核間通信的概念與幾種實現(xiàn)方式，尤其是基于消息池的控制/狀態(tài)通信。然后，對內(nèi)核互斥、初始化流程等一些重要的細節(jié)展開了論述。最后提出了雙核任務(wù)分工的兩種應(yīng)用模型，并分別舉例。

　　背景與基本概念

　　在開發(fā)MCU應(yīng)用系統(tǒng)時，如果單顆MCU無法滿足系統(tǒng)的要求，一個很普遍的做法就是使用兩顆或更多的MCU，把一部分“雜項工作”分配給另一個有“助理”性質(zhì)的低端MCU來完成。但是，采用兩顆MCU，缺點也很明顯，尤其是在芯片與PCB成本、系統(tǒng)可靠性及功耗方面都有先天的不足。此外，若采用了不同架構(gòu)的MCU，還要面臨需要不同的開發(fā)工具與開發(fā)人員的挑戰(zhàn)。如果換一種思路，讓MCU內(nèi)部包含兩個內(nèi)核，其中一個用于主控，另一個用于協(xié)控，并且它們主控與協(xié)控在架構(gòu)上能夠向下兼容、高效通信，則在很多場合下都可以既保持多機系統(tǒng)的強大，又能避免多機系統(tǒng)的不足。

　　事實上，這即是“非對稱多處理器(簡稱AMP)”架構(gòu)的特點。AMP是與“對稱多處理器(簡稱SMP)”相對的架構(gòu)，后者各處理器有一致的編程模型，并且在分配工作時主要以均衡為原則。而AMP的優(yōu)點在于精細的任務(wù)分工，靈活地適應(yīng)不同情景，物盡其用，以最佳地平衡成本、性能與功耗。此外，AMP的編程難度也更低。因此，在MCU應(yīng)用領(lǐng)域，AMP較SMP更為適合。

　　與獨立的雙MCU相比，AMP架構(gòu)有很多優(yōu)點。其中相當關(guān)鍵的就是，再添加一個內(nèi)核的代價遠比添加一個獨立的MCU要低，尤其是當兩個內(nèi)核架構(gòu)相似時，甚至僅相當于在現(xiàn)有硅片上再添加一兩個UART。另一方面，兩個內(nèi)核可以有相同的主頻，并且可以通過總線矩陣平等地訪問片上資源。而在分立的雙MCU方案中，協(xié)控MCU的主頻常常遠低于主控，并且雙方使用低速的串行鏈路通信。

　　接下來，我們以恩智浦(NXP)半導(dǎo)體公司新推出的LPC4300系列為例(尤以LPC4350型號為代表)，對AMP MCU進行簡單介紹。

　　非對稱雙核MCU的特點

　　AMP MCU一般用于相對大型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對功能和性能都有較高的要求。在功能上，應(yīng)支持較多的外設(shè)。LPC4350片載2個高速USB、2個CAN、工業(yè)以太網(wǎng)、圖形LCD控制器，以及SDHC等接口;外加一些獨有的邏輯可配置外設(shè)以及眾多傳統(tǒng)外設(shè)，適用于工控、能源、醫(yī)療、音頻、車載、電機、監(jiān)控等眾多行業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)。

　　性能的改善則是AMP MCU的靈魂。內(nèi)核、存儲器，以及總線架構(gòu)對于性能有著至關(guān)重要的影響。圖1展示了LPC4350的實現(xiàn)方式。

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　　圖1：LPC4350的內(nèi)核、存儲器以及總線連接圖

　　首先是內(nèi)核的選擇。LPC4350基于32位的ARM Cortex-M4和Cortex-M0內(nèi)核(以下簡稱M4和M0)，兩個內(nèi)核均可在高達204MHz的主頻下執(zhí)行代碼。其中，M4以信號處理和浮點運算能力見長，勝任很多原先要采用DSP才能滿足的應(yīng)用，并且繼承了Cortex-M3的控制能力;另一方面，M0以其成本、能效和處理能力的壓倒性優(yōu)勢，正迅速吸引開發(fā)人員從8/16位架構(gòu)向上過渡。更重要的是，M4完全向下兼容M0，使用同一套開發(fā)工具即可開發(fā)、調(diào)試。

　　其次是存儲器的容量和組織方式。LPC4350配備多達264KB片上RAM，并且這些RAM被劃分成4組，每組連接一條單獨的總線，而并非沒有分塊。如若不然，則會出現(xiàn)兩個核競爭使用同一塊RAM的情況——性能反而還不如只用單個內(nèi)核!進一步，LPC4350還有兩條總線連接到外部擴展的并行和串行存儲器，故總共有6個獨立的存儲器地址空間——LPC4350無片上閃存。對于有片上閃存的型號，片上閃存也分為兩塊。

　　最后是總線架構(gòu)。LPC4350內(nèi)部有一個八層總線矩陣。它如同一組縱橫開關(guān)，可以把CPU與包括存儲器在內(nèi)的眾多從設(shè)備通過總線任意連接。合理分配總線接通關(guān)系，避免多個主設(shè)備(如CPU和DMA)同時訪問相同的存儲器或外設(shè)，可以最大地保證各條數(shù)據(jù)流并行不悖，從而可以充分發(fā)揮性能上的優(yōu)勢。