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          淺析非對稱雙核MCU基礎知識及核間通信

          ? 2018年09月21日 09:39 ? 次閱讀

            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。

            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。圖1展示了LPC4350的實現方式。

            圖1:LPC4350的內核、存儲器以及總線連接圖

            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。

          淺析非對稱雙核MCU基礎知識及核間通信

            圖2:內核間使用共享內存通信模式圖

            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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          ST亞太區模擬、MEMS與傳感組件產品營銷經理陳建成指出,在物聯網應用中,準確度將會特別重要。這是因...

          發表于 2018-09-06 16:38 ? 79次閱讀
          物聯網在應用上對于傳感器的需求非常之高

          人工智能給MCU帶來新機遇,先進工藝或阻礙其發展

          Arm嵌入式與汽車事業部市場營銷高級總監Rhonda Dirvin日前接受了《電子工程專輯》的采訪,...

          發表于 2018-09-06 15:14 ? 845次閱讀
          人工智能給MCU帶來新機遇,先進工藝或阻礙其發展

          基于安森美半導體物聯網構建模塊設計

          物聯網(IoT)正以前所未有的態勢迅猛發展并不斷演進。據預測,到2020年將有500億臺互聯的設備。...

          發表于 2018-09-06 08:25 ? 190次閱讀
          基于安森美半導體物聯網構建模塊設計

          JCJ-300型檢查機基板檢查裝置的檢測原理與電...

          每個RCV板具有128個端子針。2塊RCV板組合成256個導通測試端子。板上的128個針由獨立的降壓...

          發表于 2018-09-06 08:10 ? 576次閱讀
          JCJ-300型檢查機基板檢查裝置的檢測原理與電...

          淺析MCU的內存分配與代碼執行

          單片機執行指令過程詳解單片機執行程序的過程,實際上就是執行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。

          發表于 2018-09-04 16:25 ? 328次閱讀
          淺析MCU的內存分配與代碼執行

          全球MCU市場將于2020年達到高峰,國產MCU...

          靈動微電子董事長兼CEO吳忠潔博士表示,近年來,靈動微電子主要在四個方面持續努力,簡稱為——APPS...

          發表于 2018-09-04 10:14 ? 413次閱讀
          全球MCU市場將于2020年達到高峰,國產MCU...

          低成本彩屏顯示方案

          基于i.MX RT系列高性能跨界處理器設計的一款高性價比視頻播放解決方案。實現了在嵌入式微處理器上的...

          發表于 2018-09-03 17:39 ? 409次閱讀
          低成本彩屏顯示方案

          AGM推出基于ASIC的MCU算力加速芯片,將是...

          近幾年,深度神經網絡(DNN)在圖像識別、自然語言處理等方向上取得了前所未有的成功,并推動相關行業的...

          發表于 2018-09-03 17:29 ? 963次閱讀
          AGM推出基于ASIC的MCU算力加速芯片,將是...

          瑞薩擬收購美國IDT,可能促成日本半導體最大并購...

          據日經新聞網報道,日本大型半導體企業瑞薩電子(Renesas Electronics)確定了收購美國...

          發表于 2018-09-03 14:48 ? 1628次閱讀
          瑞薩擬收購美國IDT,可能促成日本半導體最大并購...

          國產MCU與意法半導體等大廠的差距在哪里?

          總體看國產MCU,不論是市場份額還是技術先進性,都無法和國外企業相比。

          發表于 2018-09-01 09:31 ? 977次閱讀
          國產MCU與意法半導體等大廠的差距在哪里?

          Holtek新推出新一代觸摸Flash MCU產...

          Holtek新推出新一代觸摸Flash MCU系列型號BS84C12C,內建12-bit ADC并全...

          發表于 2018-09-01 09:13 ? 81次閱讀
          Holtek新推出新一代觸摸Flash MCU產...

          新興市場應用將為FPGA提供廣闊的發展契機

          國產FPGA開發商高云半導體最近推出一款集成MCU的FPGA SoC產品GW1NS-2,內嵌了ARM...

          發表于 2018-08-31 16:24 ? 573次閱讀
          新興市場應用將為FPGA提供廣闊的發展契機

          未來MCU市場前景看好 我國市場如何發展

          微控制器(MCU),國人更喜歡稱為單片機,是今天電子產品的心臟,被廣泛地應用到消費和工業電子產品中。...

          發表于 2018-08-31 15:00 ? 665次閱讀
          未來MCU市場前景看好 我國市場如何發展

          基于Cortex-M內核的靈動微新品MCU集體亮...

          2018年8月29日,在“2018靈動MM32協作大會”上,靈動微電子董事長兼總裁吳忠潔博士表示,2...

          發表于 2018-08-31 09:58 ? 2587次閱讀
          基于Cortex-M內核的靈動微新品MCU集體亮...

          觸控MCU和IC有什么不同?各自有什么優點?

          MCU微控制單元 ,又稱單片微型計算機或者單片機,是把中央處理器的頻率與規格做適當縮減,并將內存等周...

          發表于 2018-08-31 09:12 ? 373次閱讀
          觸控MCU和IC有什么不同?各自有什么優點?

          C語言訪問MCU寄存器的方式有哪些?

          使用指針的方式來訪問特殊功能寄存器的優勢在于完全符合標準的ANSI-C,而無需擴展語法,形成“方言”...

          發表于 2018-08-30 15:42 ? 414次閱讀
          C語言訪問MCU寄存器的方式有哪些?

          e絡盟Microchip SAM L10 和 S...

          全新 MCU 工作頻率為 32 MHz,內存配置高達 64 KB 閃存和 16 KB SRAM。除超...

          發表于 2018-08-30 08:57 ? 182次閱讀
          e絡盟Microchip SAM L10 和 S...

          德州儀器宣布推出業界功耗最低的MCU 可使電池壽...

          雙頻連通性能夠通過Bluetooth低功耗配置擴展Sub-1 GHz網絡的功能性,例如信標、無線更新...

          發表于 2018-08-30 08:56 ? 865次閱讀
          德州儀器宣布推出業界功耗最低的MCU 可使電池壽...

          Microchip推出六款8位核心的PIC 16...

          Microchip Technology宣布推出配備強化型中階8位核心的六款PIC16F193X系列...

          發表于 2018-08-30 00:26 ? 426次閱讀
          Microchip推出六款8位核心的PIC 16...

          為什么說單片機會成為深度學習最肥沃的土壤

          除此之外,皮特有個新的想法要和大家分享 他堅定地相信,未來的深度學習能夠在微型的、低功耗的芯片上自由...

          發表于 2018-08-29 10:55 ? 421次閱讀
          為什么說單片機會成為深度學習最肥沃的土壤

          一個ds18b20采集和64位光刻ROM讀出的小...

          后來決定還是從小做起,先不要搞得復雜了,先把溫度采集做個PCB,要的是可行性和穩定性,于是也開始學習...

          發表于 2018-08-29 10:32 ? 341次閱讀
          一個ds18b20采集和64位光刻ROM讀出的小...

          芯科科技光模塊利器預置I2C Bootloade...

          Silicon Labs(亦稱芯科科技)在全系列EFM8 8位MCU出廠時預置帶I2C、UART或U...

          發表于 2018-08-28 18:38 ? 895次閱讀
          芯科科技光模塊利器預置I2C Bootloade...

          7個常見的mcu功能異常情況總結

          我們在從事MCU應用開發過程中,難免會碰到MCU芯片異常的問題。比如異常復位,表現為復位腳有電平跳變...

          發表于 2018-08-28 16:49 ? 577次閱讀
          7個常見的mcu功能異常情況總結

          中國芯片產業在全球處于什么位置?

          在此前兩輪關稅清單中,美國貿易代表辦公室瞄準的是來自中國的工業機械、電子元件及其它中間產品,盡量避免...

          發表于 2018-08-27 11:19 ? 2472次閱讀
          中國芯片產業在全球處于什么位置?

          簡析觸控MCU和觸控IC的優點有哪些?

          推介觸控 MCU給客戶時,經常會有這樣的反饋:我們曾使用觸控 IC,簡單易用。那么,觸控 MCU和觸...

          發表于 2018-08-27 09:26 ? 1690次閱讀
          簡析觸控MCU和觸控IC的優點有哪些?

          CC3200MOD SimpleLink Wi-...

          使用業界首款可編程FCC,IC,CE和Wi-Fi認證無線微控制器(MCU)模塊,內置Wi-Fi,開始您的設計連接。 SimpleLink CC3200MOD專為物聯網(IoT)而創建,是一個集成了ARM Cortex-M4 MCU的無線MCU模塊,允許客戶使用單個設備開發整個應用程序。憑借片上Wi-Fi,互聯網和強大的安全協議,無需先前的Wi-Fi體驗即可加快開發速度。 CC3200MOD將所有必需的系統級硬件組件(包括時鐘,SPI閃存,RF開關和無源元件)集成到LGA封裝中,以便于組裝和低成本PCB設計。 CC3200MOD作為完整的平臺解決方案提供,包括軟件,樣本應用,工具,用戶和編程指南,參考設計以及TI E2E支持社區。 應用MCU子系統包含行業標準的ARM Cortex- M4內核以80 MHz運行。 該器件包括各種外設,包括快速并行相機接口,I2S,SD /MMC,UART,SPI,I2C和四通道ADC。 CC3200系列包括用于代碼和數據的靈活嵌入式RAM;帶外部串行閃存引導程序和外設驅動程序的ROM;用于Wi-Fi網絡處理器服務包,Wi-Fi證書和憑證的SPI閃存。 Wi-Fi網絡處理器子系統具有Wi-Fi片上網絡,并包含一個附加功能專用的ARM...

          發表于 2018-08-20 17:53 ? 38次閱讀
          CC3200MOD SimpleLink Wi-...
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