MPU進(jìn)化，多核異構處理器有多強？

繁花之語(yǔ)

隨著(zhù)市場(chǎng)對嵌入式設備功能需求的提高，市面上出現了集成嵌入式處理器和單片機的主控方案，以兼顧性能和效率。

在實(shí)際應用中，嵌入式處理器和單片機之間需要進(jìn)行大量且頻繁的數據交換，如果采用低速串行接口，則數據傳輸效率低，這將嚴重影響產(chǎn)品的性能；而如果采用高速并口，則占用管腳多，硬件成本將會(huì )增加。

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為解決這一痛點(diǎn)，各大芯片公司陸續推出了兼具A核和M核的多核異構處理器，如NXP的i.MX8系列、瑞薩的RZ/G2L系列以及TI的AM62x系列等等。雖然這些處理器的品牌及性能有所不同，但多核通信原理基本一致，都是基于寄存器和中斷傳遞消息，基于共享內存傳輸數據。

以配電終端產(chǎn)品為例，A核負責通訊和顯示等人機交互任務(wù)，M核負責采樣和保護等對實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)，雙核間交互模擬量、開(kāi)關(guān)量和錄波文件等多種信息，A核+M核的方案既滿(mǎn)足了傳統采樣保護功能，又支持多種接口通信及新增容器等功能，符合國家電網(wǎng)現行配電標準。

通信過(guò)程整體架構說(shuō)明

一、 硬件層通信實(shí)現機制

通過(guò)物理內存DDR分配，將硬件層分為了兩部分：TXVring Buffer(發(fā)送虛擬環(huán)狀緩沖區)和RXVring Buffer(接收虛擬環(huán)狀緩沖區)；其中M核從TXVring區發(fā)送數據，從RXVring區讀取接收數據，A核反之。

處理器支持消息傳遞單元（MessagingUnit，簡(jiǎn)稱(chēng)MU）功能模塊，通過(guò)MU傳遞消息進(jìn)行通信和協(xié)調，芯片內的M7控制核和A53處理核通過(guò)通過(guò)寄存器中斷的方式傳遞命令，最多支持4組MU雙向傳遞消息，既可通過(guò)中斷告知對方數據傳遞的狀態(tài)，也可發(fā)送最多4字節數據，還可在低功耗模式下喚醒對方，是保證雙核通信實(shí)時(shí)性的重要手段。

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寄存器輸入輸出通信模型

（1）CoreA寫(xiě)入數據； （2）MU將Tx 空位清0，Rx滿(mǎn)位置1； （3）產(chǎn)生接收中斷請求，通知CoreB接收狀態(tài)寄存器中的接收器滿(mǎn)，可以讀取數據； （4）CoreB響應中斷，讀取數據； （5）CoreB讀完數據后，MU將Rx滿(mǎn)位清0，Tx空位置1； （6）狀態(tài)寄存器向CoreA生成發(fā)送中斷請求，告知CoreB讀完數據，發(fā)送寄存器空。

通過(guò)以上步驟，就完成了1次從CoreA向CoreB 傳遞消息的過(guò)程，反之亦然。

二、驅動(dòng)層Virtio下RPMsg通信實(shí)現

Virtio是通用的IO虛擬化模型，位于設備之上的抽象層，負責前后端之間的通知機制和控制流程，為異構多核間數據通信提供了層的實(shí)現。

RPMsg消息框架是Linux系統基于Virtio緩存隊列實(shí)現的主處理核和協(xié)處理核間進(jìn)行消息通信的框架，當客戶(hù)端驅動(dòng)需要發(fā)送消息時(shí)，RPMsg會(huì )把消息封裝成Virtio緩存并添加到緩存隊列中以完成消息的發(fā)送，當消息總線(xiàn)接收到協(xié)處理器送到的消息時(shí)也會(huì )合理地派送給客戶(hù)驅動(dòng)程序進(jìn)行處理。

在驅動(dòng)層，對A核，Linux采用RPMsg框架+Virtio驅動(dòng)模型，將RPMsg封裝為了tty文件供應用層調用；在M核，將Virtio移植，并使用簡(jiǎn)化版的RPMsg，因為涉及到互斥鎖和信號量，最終使用FreeRTOS完成過(guò)程的封裝，流程框圖如下方所示。

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主處理核與協(xié)處理核數據傳遞流程圖

（1）Core0向Core1發(fā)送數據，通過(guò)rpmsg_send函數將數據打包至Virtioavail鏈表區； （2）在avail鏈表尋找共享內存中空閑緩存，將數據置于共享內存中； （3）通過(guò)中斷通知Core1數據到來(lái)，共享內存由avail鏈表區變至used區； （4）Core1收到中斷，觸發(fā)rpmsg的接收回調函數，從used區獲取數據所在的共享內存的物理地址，完成數據接收； （5）通過(guò)中斷通知Core0數據接收完成，共享內存緩存由used區變?yōu)閍vail區，供下次傳輸使用。

三、應用層雙核通信實(shí)現方式

在應用層，對A核可使用open、write和read函數對 /dev下設備文件進(jìn)行調用；對M核，可使用rpmsg_lite_remote_init、rpmsg_lite_send和rpmsg_queue_recv函數進(jìn)行調用，不做重點(diǎn)闡述。

四、實(shí)際使用效果

通過(guò)程序實(shí)測，M核和A核可以批量傳輸大數據。同樣以配電產(chǎn)品為例——128點(diǎn)采樣的錄波文件大約為43K，若通過(guò)傳統的串行總線(xiàn)傳輸方式，需要數秒才可完成傳輸。

而使用i.MX8MP的雙核異構通信方案，只需要不到0.5秒即可傳輸完成，數據傳輸效率提升數十倍！同時(shí)還避免了串行總線(xiàn)易受EMC干擾的問(wèn)題，提高了數據傳輸穩定性，簡(jiǎn)化了應用編程，可滿(mǎn)足用戶(hù)快速開(kāi)發(fā)的需求。

以上就是關(guān)于多核異構處理器中A核與M核通信過(guò)程的解析,飛凌www.forlinx.com多核異構平臺有NXP的i.MX8系列、瑞薩的RZ/G2L系列以及TI的AM62x系列等等，您可關(guān)注了解。