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          什么是非對稱雙核MCU?

          ? 2018年09月19日 16:30 ? 次閱讀

          前言

          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方式,尤其是基于消息池的控制/狀態通信。然后,對內核互斥、初始化流程等一些重要的細節展開了論述。最后提出了雙核任務分工的兩種應用模型,并分別舉例。

          背景與基本概念

          在開發MCU應用系統時,如果單顆MCU無法滿足系統的要求,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,若采用了不同架構的MCU,還要面臨需要不同的開發工具與開發人員的挑戰。如果換一種思路,讓MCU內部包含兩個內核,其中一個用于主控,另一個用于協控,并且它們主控與協控在架構上能夠向下兼容、高效通信,則在很多場合下都可以既保持多機系統的強大,又能避免多機系統的不足。

          事實上,這即是“非對稱多處理器(簡稱AMP)”架構的特點。AMP是與“對稱多處理器(簡稱SMP)”相對的架構,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的優點在于精細的任務分工,靈活地適應不同情景,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應用領域,AMP較SMP更為適合。

          與獨立的雙MCU相比,AMP架構有很多優點。其中相當關鍵的就是,再添加一個內核的代價遠比添加一個獨立的MCU要低,尤其是當兩個內核架構相似時,甚至僅相當于在現有硅片上再添加一兩個UART。另一方面,兩個內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)半導體公司推出的LPC4300系列為例(尤以LPC4350型號為代表),對AMP MCU進行簡單介紹。

          什么是非對稱雙核MCU?

          非對稱雙核MCU的特點

          AMP MCU一般用于相對大型的系統,這些系統對功能和性能都有較高的要求。在功能上,應支持較多的外設。LPC4350片載2個高速USB、2個CAN、工業以太網、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以及眾多傳統外設,適用于工控、能源、醫療、音頻、車載、電機、監控等眾多行業產品的開發。

          性能的改善則是AMP MCU的靈魂。內核、存儲器,以及總線架構對于性能有著至關重要的影響。

          首先是內核的選擇。LPC4350基于32位的ARM Cortex-M4和Cortex-M0內核(以下簡稱M4和M0),兩個內核均可在高達204MHz的主頻下執行代碼。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勢,正迅速吸引開發人員從8/16位架構向上過渡。更重要的是,M4完全向下兼容M0,使用同一套開發工具即可開發、調試。

          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。LPC4350內部有一個八層總線矩陣。它如同一組縱橫開關,可以把CPU與包括存儲器在內的眾多從設備通過總線任意連接。合理分配總線接通關系,避免多個主設備(如CPU和DMA)同時訪問相同的存儲器或外設,可以最大地保證各條數據流并行不悖,從而可以充分發揮性能上的優勢。

          內核間通信

          內核間的通信可分為兩類:一類是控制與狀態信息的通信,另一類則是數據通信。前者一般不攜帶數據,但往往有較高的實時要求;后者則主要是各類數據緩沖區,通常實時性要求偏低但數據量大。控制/狀態通信有較大的通用性,并且與任務間的同步較為相似。這類通信適合由系統軟件實現并提供編程接口。數據通信則往往與具體應用相關較大(尤其是在數據結構上),需要量體裁衣。在實現時,適合由應用軟件定義各種數據結構。

          內核間通過共享的RAM進行通信,并且每個內核都可以觸發對方的一個中斷源,通過準備數據-觸發中斷的方式進行通信,如圖2所示。當然,內核也可以定期檢查共享RAM的狀態。

          接下來,我們介紹基于消息隊列和消息池的控制/狀態通信方案。

          消息隊列:開設兩個消息隊列,一個用于M4發送消息給M0,另一個則是M0發送消息給M4。兩個隊列的地址需事先約定好。隊列是循環隊列,可以使用簡單的數組配以讀、寫下標來實現,也可以使用鏈表結構來實現。前者實現簡單、開銷小,但消息只能是定長,不便于攜帶其它信息,還有,就是必須把數組放置在共享內存區連續的位置,靈活性低。基于鏈表的實現用指針鏈接每則消息,每則消息除了公共的鏈表控制部分外,還可以根據消息類別攜帶各種各樣的附加參數,并且可以由系統軟件的內存管理機制靈活分配消息內存,不過,缺點是相對復雜,額外開銷大。若涉及動態內存管理,實時性將遠不如基于數組的方案。

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          在上一篇博客中,我們已經將Zynq SoC啟動并運行起來,在AMP(非對稱多進程處理)模式下使用了兩...

          發表于 2017-02-11 10:18 ? 557次閱讀
          裸機AMP(非對稱多進程處理模式)

          以太網供電 IC 通過 1Gbps CAT5e ...

          加利福尼亞州米爾皮塔斯 (MILPITAS, CA) – 2017 年 2 月 6 日 – 凌力爾特...

          發表于 2017-02-08 15:22 ? 392次閱讀
          以太網供電 IC 通過 1Gbps CAT5e ...

          工業控制周報第2期:巨頭紛紛打響2017工業物聯...

          工業控制、工業以太網、工業物聯網2017年繼續風起云涌,工業作為物聯網的重要組成部分,發揮著不可磨滅...

          發表于 2017-01-20 15:18 ? 522次閱讀
          工業控制周報第2期:巨頭紛紛打響2017工業物聯...

          歐姆龍CP1/CJ1/CJ2/CS1系列PLC聯...

          BCNet-CP、BCNet-CJ是無錫北辰新推出的兩款經濟型以太網通訊處理器,是為滿足日益增多的工...

          發表于 2017-01-16 16:04 ? 1434次閱讀
          歐姆龍CP1/CJ1/CJ2/CS1系列PLC聯...

          無錫北辰BCNet-FX用于三菱FX1S/1N/...

          無錫北辰BCNet-FX用于三菱FX1S/1N/2N/3S/3G/3U系列PLC、匯川PLC的以太網...

          發表于 2017-01-16 15:56 ? 1461次閱讀
          無錫北辰BCNet-FX用于三菱FX1S/1N/...

          西門子S7-200以太網通訊解決方案

          BCNet-S7PPI用于西門子S7-200以太網編程下載、數據監控,同時支持S7-200 SMAR...

          發表于 2017-01-16 15:49 ? 3869次閱讀
          西門子S7-200以太網通訊解決方案

          美高森美通過戰略性收購和創新在2017年繼續實現...

          美高森美2016財政年度的凈銷售額達16.5億美元,比2015年的12.5億美元增加了32.9%。美...

          發表于 2017-01-13 19:32 ? 622次閱讀
          美高森美通過戰略性收購和創新在2017年繼續實現...

          LCD控制器難調試?教你用示波器就能輕松解決

          當LCD液晶屏顯示異常時,以往通過現象逆向推導,對參數進行修改,這種方式費時費力。有了長存儲示波器,...

          發表于 2016-11-25 14:38 ? 679次閱讀
          LCD控制器難調試?教你用示波器就能輕松解決

          如何使用示波器解決LCD控制器調試難題

          當LCD液晶屏顯示異常時,以往通過現象逆向推導,對參數進行修改,這種方式費時費力。有了長存儲示波器,...

          發表于 2016-11-23 15:55 ? 387次閱讀
          如何使用示波器解決LCD控制器調試難題

          新一代TSN通訊協議推動工業以太網邁向Gbit/...

          工業4.0與工業自動化的風潮興起,帶動生產管理對于效能和良率要求倍增,使得工業應用領域的通訊頻寬需求...

          發表于 2016-08-05 15:25 ? 1587次閱讀
          新一代TSN通訊協議推動工業以太網邁向Gbit/...

          美高森美投資于Veracity以實踐對IoT安全...

          美高森美產品營銷總監Larry O’Connell表示:“與Veracity的協作增強了我們通過提供...

          發表于 2016-07-06 13:47 ? 253次閱讀
          美高森美投資于Veracity以實踐對IoT安全...

          工業4.0時代下的智能電網如何建設

          工業4.0時代,智能化已成為衡量城市發展水平的重要因素,建設智慧城市是未來城市發展的一個共同目標。隨...

          發表于 2016-01-29 10:31 ? 1437次閱讀
          工業4.0時代下的智能電網如何建設

          工業以太網應用:設計工廠生產層方案必須了解的七個...

          在工廠生產層使用工業以太網之前,必須了解它的七個要素。

          發表于 2015-09-14 10:37 ? 451次閱讀
          工業以太網應用:設計工廠生產層方案必須了解的七個...

          工業通信三大主流技術,誰將成為最后的霸主

          工業以太網、現場總線、工業無線是目前工業通信領域的三大主流技術。將現場總線、以太網、嵌入式技術和無線...

          發表于 2015-09-01 08:16 ? 4463次閱讀
          工業通信三大主流技術,誰將成為最后的霸主

          如何快速選擇工業以太網標準之串行實時通信協議

          工業以太網適用于工廠自動化與控制、流程自動化、樓宇自動化以及許多其它工業應用。和標準以太網相比,工業...

          發表于 2015-08-26 09:25 ? 1036次閱讀
          如何快速選擇工業以太網標準之串行實時通信協議

          工廠智能化 工業以太網成突破要點

          構建智能工廠正被全球制造業領域不約而同地選為下一個中長期的發展愿景,同時也是我國制造業轉型升級的重要...

          發表于 2015-03-24 09:58 ? 673次閱讀
          工廠智能化 工業以太網成突破要點

          詳解工業以太網連接器分類及發展前景

          在工業用以太網連接器市場,高防護等級、現場快速操作成為主流廠商產品的賣點。同時,萬兆級(10G)傳輸...

          發表于 2015-01-27 10:22 ? 1089次閱讀
          詳解工業以太網連接器分類及發展前景

          詳解信息化工廠中的工業以太網

          同樣信息化的浪潮也大大改變了生產、制造業的內涵。從最初的單片機的使用到DCS、PLC的普及,從單臺設...

          發表于 2015-01-19 14:12 ? 531次閱讀
          詳解信息化工廠中的工業以太網

          工業以太網大規模應用,需加強數據安全防護

          網絡技術的快速發展也帶動了工業的發展,通用電氣CEO伊梅爾特曾表示,工業互聯網將實體工業與虛擬網絡結...

          發表于 2015-01-19 10:02 ? 454次閱讀
          工業以太網大規模應用,需加強數據安全防護
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