采用非對稱雙核 MCU 提高系統(tǒng)性能 C 基于 C2000 Concerto 系列

1、背景介紹

隨著各個行業(yè)朝著智能化方向的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品對能耗和效率的要求越來越苛刻。特別是在智能電網(wǎng)、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域，一個產(chǎn)品的核心 MCU 處理器面臨多重挑戰(zhàn)。比如，一個自動化的馬達系統(tǒng)或者分布式工業(yè)系統(tǒng)，一方面需要更多的數(shù)字信號處理能力來更精確地控制馬達，另一方面也需要更多和更高級的網(wǎng)絡(luò)接口(CAN，Ethernet 或者 Wireless 等)來實現(xiàn)實時的分布式監(jiān)控或控制功能。再比如圖 1，一個太陽能逆變系統(tǒng)，一方面需要 DSP 引擎來實現(xiàn) DC/AC 或者 DC/DC 的算法，另一方面也需要將多個逆變器通過 Wireless 或者以太網(wǎng) Ethernet 組成網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)智能診斷和監(jiān)控。

面對這些需求，有兩種傳統(tǒng)的方案可以解決。一種方案是采用兩顆單獨的 MCU/DSP，其中一顆 MCU或者 DSP 用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理或者控制算法，另外一顆 MCU 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；蛘邎D形顯示界面等。這類方案的存在諸多缺點，首先兩顆 MCU 增加了 PCB 的面積，而且雙 MCU 之間的通訊的可靠性和數(shù)據(jù)吞吐率受到限制，另外，功耗也將顯著增加，程序開發(fā)者甚至需要維護多個軟硬件開發(fā)環(huán)境。另外一種方案是采用更高主頻和更多片內(nèi)資源的單核 MCU/DSP，分時地完成數(shù)據(jù)處理和輔助通信或顯示功能，這種方案顯著增加了系統(tǒng)成本和功耗，最致命的是，當客戶的產(chǎn)品需要增加新的功能的時候，工程師需要重新計算 MCU 內(nèi)核的資源和不同任務(wù)所需要的運行時間，需要更多的測試時間，因此不利于擴展和產(chǎn)品維護。

面對種種不足，異構(gòu)雙核架構(gòu)應(yīng)運而生，可以很好解決上述問題。事實上，非對稱雙核架構(gòu) MCU 可以將不同的系統(tǒng)任務(wù)分配于不同的 MCU 內(nèi)核，分工精細，并且可以最佳地平衡性能、功耗和成本。兩個MCU 內(nèi)核間的通信可以通過不同的方式來實現(xiàn)，比如分享內(nèi)存區(qū)和消息區(qū)，非常簡單和易于實現(xiàn)。在下面的章節(jié)，本文將以 TI 最新的 Concerto 系列產(chǎn)品 TMS320F28M35H52C 為例，詳細闡述非對稱異構(gòu)雙核 MCU 的優(yōu)勢，及其為系統(tǒng)帶來的性能提升。

2、C2000 Concerto 雙核 MCU 的特點

C2000 Concerto 系列 MCU 是 TI 推出的創(chuàng)新性的異構(gòu)雙核產(chǎn)品。Concerto 混合架構(gòu)通過將業(yè)界最好的實時控制功能和通訊功能集成在一個芯片內(nèi)，提供高性能、高效率和可靠性，從而實現(xiàn)實時控制環(huán)路和低延時的快速通訊響應(yīng)[1]。以下從內(nèi)核、存儲器架構(gòu)、通訊外設(shè)等方面闡述其特點。Concerto 系列 TMS320F28M35H52C 功能框圖如下圖 2 所示。

首先是高性能的內(nèi)核。Concerto 系列 MCU 包含 Cortex-M3 和 C28x 兩個內(nèi)核。Cortex-M3 內(nèi)核是Concerto 的主系統(tǒng) Master 子系統(tǒng)內(nèi)核，主頻最高可運行于 125 MHz。Cortex-M3 內(nèi)核是 32 位的ARM 核，超高的性價比，已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用，其性能和穩(wěn)定性也已被用戶所廣泛接受，非常適用于通訊和事件控制。C28x 是新一代的 32 位 DSP 內(nèi)核，是 TI 大多數(shù)現(xiàn)有的 C2000 產(chǎn)品的內(nèi)核，最高可運行于 150 MHz，Concerto 中的 C28x 帶浮點運算單元(Floating-Point Unit)，VCU 協(xié)處理器等，性能超強，非常適用于大吞吐量的數(shù)據(jù)處理。C28x 作為 Control 子系統(tǒng)，宏觀上受控于 Cortex-M3 Master 子系統(tǒng)。

其次是優(yōu)化的存儲器架構(gòu)。如圖 2 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x 可支配 512KB 帶 ECC 校驗的 Flash 存儲器，64KB ROM，36KB 帶 ECC 校驗的 RAM;Cortex-M3 可支配 512KB 帶 ECC 校驗的Flash 存儲器，64KB ROM，32KB 帶 ECC 校驗的 RAM [3]。在兩個內(nèi)核之間，是共享的外設(shè)和存儲區(qū)?？偣?64K 字節(jié)的共享 RAM，4K 的消息 RAM。

再次是外設(shè)。如圖 2 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x 內(nèi)核可支配 DMA、高速 ADC(3MSPS)、多路高精度的 PWM(24 路 PWM和 16 路高精度 HRPWM)、eCAP、eQEP 等為閉環(huán)控制所優(yōu)化的控制外設(shè);Cortex-M3 內(nèi)核可支配多個串行接口、以太網(wǎng)、CAN 等工業(yè)通訊外設(shè)。同時，兩個內(nèi)核還可共享 ADC 等外設(shè)，增強整個系統(tǒng)的靈活性。

最后是軟件架構(gòu)。如圖 3 所示，controlSUITE 是一個集成所有 C2000 MCU 的開發(fā)資源和軟件包和開發(fā)平臺，它為 TMS320F28M35H52C 的開發(fā)者提供了外設(shè)例程、DSP 庫、文檔、開發(fā)板資料。ControlSUITE 還提供免費的全功能實時操作系統(tǒng) TI-RTOS 平臺，如圖 4 所示，TI-RTOS 是基于SYS/BIOS 實時內(nèi)核，集成了穩(wěn)定的中間件，例如 TCP/IP 協(xié)議棧、USB 協(xié)議棧、FAT 文件系統(tǒng)、IPC多核通訊組件等。

3、IPC 內(nèi)核間通信

Cortex-M3 和 C28x 內(nèi)核之間的通信主要完成兩大功能，一是數(shù)據(jù)通信，二是傳遞狀態(tài)和控制信息。IPC(內(nèi)核間通訊)的數(shù)據(jù)通信需要較大的 RAM 來支持，而傳遞狀態(tài)和控制等信息只需要一系列狀態(tài)標志位即可。此外，Cortex-M3 側(cè)的 UART4 與 C28x 側(cè)的 SCIA;以及 Cortex-M3 側(cè)的 SSI3 與 C28x側(cè)的 SPIA 在 Concerto 內(nèi)部實現(xiàn)互聯(lián)，不需要在芯片外部硬件連接，而是否使能這類功能則有 CortexM3 系統(tǒng)配置。

3.1 Message RAM 內(nèi)存區(qū)

TMS320F28M35H52C 使用 Message RAM 實現(xiàn) IPC 的數(shù)據(jù)通信。如圖 5 所示，2K 字節(jié)的 MTOC Message RAM 用于從 Master (Cortex-M3)子系統(tǒng)向 Control(C28x)子系統(tǒng)傳遞消息;2K 字節(jié)的CTOM Message RAM 用于從 Control 子系統(tǒng)向 Master 子系統(tǒng)傳遞消息。由于兩個子系統(tǒng)都配有 DMA外設(shè)，因此，DMA 也可以讀寫 Message RAM，從而提高系統(tǒng)效率。Message RAM 區(qū)通過 RAM 內(nèi)存的讀寫權(quán)限保證了 Message 的互斥訪問，例如，C28x CPU 與 DMA 可以讀寫訪問 CTOM Message RAM 區(qū)，而 Cortex-M3 CPU 和 uDMA 只能讀訪問 CTOM Message RAM。同樣，兩個內(nèi)核對于MTOC Message RAM 區(qū)的讀寫訪問權(quán)限則正好相反。

Message RAM 僅僅作為 IPC 的數(shù)據(jù)緩存，IPC 還需借助于特定的控制邏輯電路來完成。如圖 6 所示，Master 子系統(tǒng)和 Control 子系統(tǒng)都是通過 5 個寄存器來實現(xiàn) IPC 的邏輯流程控制：IPCACK、IPCSTS、IPCFLG、IPCCLR、IPCSET。這 5 個寄存器都是 32 位，每一個 bit 對應(yīng)于 IPC 的一個通道，因此最多可實現(xiàn) 32 個通道的握手通信。Bit0 到 Bit3 總共 4 個通道可以觸發(fā)消息接收方的 IPC 中斷，Bit4 到Bit31 共 28 個通道則需要消息接收方的軟件查詢來獲取 Message RAM 中是否收到數(shù)據(jù)。如果兩個內(nèi)核之間僅僅傳遞狀態(tài)和控制信息(例如 RTOS 中的 Semaphore)，僅通過以上寄存器便可以實現(xiàn)，而無需 Message RAM 的參與。

以下通過舉例 Master 子系統(tǒng)往 Control 子系統(tǒng)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，來簡單介紹 IPC 模塊的操作流程。

1. Cortex-M3 先在 MTOC Message RAM 中寫入一幀數(shù)據(jù);

2. Cortex-M3 置位 MTOCIPCSET(CM3 映射存儲器區(qū))的 Bit9，如圖 6 所示，此時 MTOCIPCSTS(C28x 映射存儲器區(qū))的 Bit9 也將置位;

3. C28x 輪詢 MTOCIPCSTS 的 Bit9，查詢到 Bit9 已置位;(如果之前的操作是 Bit0 到 Bit3 其中之一， 則將觸發(fā) C28x 產(chǎn)生一個 IPC 中斷)

4. C28x 讀 MTOC Message RAM 中的數(shù)據(jù)，此時，Cortex-M3 成功將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送至 C28x。

3.2 Shared RAM 內(nèi)存區(qū)

大部分情況下，2K 字節(jié)的 IPC Message RAM 區(qū)能夠滿足 C28x 和 M3 子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，配合DMA，通信效率也可以進一步提高。如果用戶希望一次性在兩個子系統(tǒng)傳遞更大塊的數(shù)據(jù)，另一種方法是通過 Shared RAM 內(nèi)存。

TMS320F28M35H52C 有一個 64K 字節(jié)大小的 Shared RAM 區(qū)，總共 8 塊 S0-S7，每塊 8K 字節(jié)大小，如圖 7 所示。Cortex-M3 可以設(shè)置讓任何一塊 Shared RAM 區(qū)由 C28x 或 M3 主控，比如，映射 S0 至C28x 側(cè)以后，C28x CPU 和 DMA 可以讀寫 S0，而 M3 和 uDMA 將只能讀 S0，不能寫入和預(yù)取。

假如 Cortex-M3 需要一次性發(fā)送 6K 字節(jié)的數(shù)據(jù)到 C28x 側(cè)，它可以先將 Shared RAM 區(qū) S0 映射到本地存儲器空間，接著通過 IPC 發(fā)送一個標志位給 C28x 來通知其可以將數(shù)據(jù)取走。

3.3 IPC 的軟件驅(qū)動

controlSUITE 軟件開發(fā)包中提供 2 種 IPC 的軟件驅(qū)動庫，IPC Driver 和 IPC_Lite Driver。IPC_Lite Driver 僅使用 IPC 寄存器來實現(xiàn)通信，不需要額外的 RAM，但是用戶只能支持一個 IPC 中斷服務(wù) ISR，且不支持以隊列形式來處理 IPC 請求。IPC_Lite Driver 使用方式如下：

1，主動發(fā)起數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核會首先調(diào)用 IPC_Lite Driver 提供的名函數(shù)。在這個例子匯總，M3 是發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)核并執(zhí)行“IPCLiteMtoCDataRead” 函數(shù)。

• IPC_FLAG2 是 C28 中斷標志，指示 C28 內(nèi)核一個消息到來。

• IPC_FLAG17 是響應(yīng)標志，C28 用其指示 M3 核一個命令已經(jīng)被處理。

• 需要讀取數(shù)據(jù)的 C28 的地址也被作為一個參數(shù)傳遞給 C28 內(nèi)核。

• 這個函數(shù)在 while 循環(huán)中被調(diào)用的原因是，它可能返回 STATUS_FAIL 并且不會發(fā)送信息給C28 直至 MtoC IPC 中斷 2 和標志 17 可用, 之后，該函數(shù)返回 STATUS_PASS.

2，被動接收數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核會在 ISR 中解析其 IPCCOM寄存器的命令。這個例子中，C28 MtoCIPCINT2 ISR 知道標志置位，解析 MTOCIPCCOM寄存器的命令，識別出是讀數(shù)據(jù)命令。

3，被動接收數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核會調(diào)用與主動發(fā)起數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核相同的函數(shù)名。這個例子中，C28 執(zhí)行 IPCLiteMtoCDataRead， IPC_FLAG2 作為中斷標志參數(shù)， IPC_FLAG17 作為狀態(tài)標志參數(shù)。

4，如果接收到命令有效，IPC_Lite 的驅(qū)動函數(shù)會處理讀命令并確認(acknowledges)狀態(tài)和中斷標志。如果接收到的命令無效，則只有中斷標志被確認(acknowledged)用來釋放中斷給后續(xù)的命令，而狀態(tài)標志仍然置位。

IPC Driver 通過在 Message RAM 中建立環(huán)形緩沖區(qū)，使得多個 IPC 通信命令可以以隊列的形式被緩沖，然后逐個處理，并且可以同時支持多個 IPC 中斷服務(wù)程序 ISR，當然，IPC Driver 需要更多的RAM 來支持。和 IPC-Lite 不同，為了使用 IPC 驅(qū)動，需要在 M3 和 C28 的項目中增加一些設(shè)置。

第一步是在 M3 和 C28 的鏈接定位文件(.cmd)中添加 IPC 循環(huán)緩沖區(qū)和指針段到 CTOM和 MTOC message RAM。如下所示：

第二步，應(yīng)用程序源碼中必須定義并且初始化至少一個 volatile global tIpcController 變量 (為 C28 –M3 IPC 中斷使用)，如下所示：

1. 主動發(fā)起數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核會首先調(diào)用 IPC Driver 提供的一個命令函數(shù)。這個例子中，M3 是發(fā)起數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核，執(zhí)行“IPCMtoCSetBits”函數(shù)。

• g_sIpcController1 是 tIpcController 類型的變量，控制 M3 和 C28 IPC 中斷通道之間的通信。

• SETMASK_16BIT 是 16-bit 掩碼，指示應(yīng)該被置位的位域。IPC_LENGTH_16_BITS 指示命令操作的數(shù)據(jù)對象是 16-bits。

• 函數(shù)被配置成允許阻塞 “ENABLE BLOCKING”, 意味著函數(shù)會一直等待直到 M3 PutBuffer 有空的緩沖區(qū)。如果函數(shù)被配置成不許阻塞 “DISABLE BLOCKING”, 一旦”Put”緩沖區(qū)滿，它會立即返回STATUS_FAIL 并且不會發(fā)送消息到 C28。如果”Put”緩沖區(qū)有空余，函數(shù)會返回 STATUS_PASS，

消息被成功發(fā)送到 C28.

2. 被動接受數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核會連續(xù)調(diào)用 IpcGet 函數(shù)來讀取 sMessage 結(jié)構(gòu)體里的消息，只要有消息在”Get”緩沖區(qū)。在 ISR 中 IpcGet 函數(shù)被調(diào)用，C28 側(cè)的 tIpcController 變量被用來綁定兩個相同的M3 和 C28 的 IPC 中斷通道(和 M3 側(cè)用來發(fā)送命令的 tIpcController 相同)。

3. 即使被動接收數(shù)據(jù)的內(nèi)核沒有確認(acknowledged)IPC 中斷標志，主動請求數(shù)據(jù)的內(nèi)核仍然可以連續(xù)發(fā)送消息，因為 tIpcController 變量會把消息排隊放到”Put”緩沖區(qū)(與被動接收數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核的”Get”緩沖區(qū)相同)。被動接收數(shù)據(jù)請求的內(nèi)核的 ISR 會連續(xù)獲取并處理消息，直至”Get”緩沖區(qū)為

空。

4、Cortex M3 和 C28x 核的任務(wù)分工

Cortex-M3 子系統(tǒng)的優(yōu)勢在于處理事務(wù)和管理通訊外設(shè)的能力，C28x 內(nèi)核子系統(tǒng)在實時控制和數(shù)據(jù)處理方面性能優(yōu)越。因此，在一個系統(tǒng)中，合理地分配兩個子系統(tǒng)的所處理的事務(wù)，優(yōu)化資源的配置是至關(guān)重要的?；?Concerto 的系統(tǒng)，一方面應(yīng)當最大化地使用 C28x 的 DSP 和實時控制優(yōu)勢，發(fā)揮ADC、PWM、C28x 組成的閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢;另一方面應(yīng)將人機界面、通訊協(xié)議棧、文件系統(tǒng)等盡可能運行在 Cortex-M3 子系統(tǒng)一側(cè)。下面通過兩個應(yīng)用案例來討論如何通過合理任務(wù)分工來提高系統(tǒng)效率。

4.1 光伏逆變器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

光伏逆變器的主要功能是把光伏面板輸出的 DC 直流電逆變?yōu)?110V/220V 的 AC 交流電，最終接入電網(wǎng)或者離網(wǎng)輸電至用電設(shè)備。在一個大功率的光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)拓撲中，往往有許多個光伏逆變器，這些逆變器需要被監(jiān)測，控制中心需要實時觀測各個光伏逆變器的工作狀態(tài)。因此，光伏逆變器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能主要包括 DC/AC 逆變器和網(wǎng)絡(luò)連接。如圖 9 所示，C28x 子系統(tǒng)(運行于 100MHz)完成MPPT 和 DC/AC 逆變算法。網(wǎng)絡(luò)連接可以有多種方式，常用的方式包括 Ethernet 以太網(wǎng)、RS485 或CAN 等，TMS320F28M35H52C 的 Cortex-M3 子系統(tǒng)(100 MHz)帶 Ethernet、RS485 和 CAN 等接口，支持多種有線和無線連接功能。

圖 8 Solar HV DC-AC Kit

對于 C28x 子系統(tǒng)，采用狀態(tài)機的設(shè)計思路來區(qū)別不同的系統(tǒng)狀態(tài)。不同的狀態(tài)代表著不同的運行模式，其它的任務(wù)能夠根據(jù)特定的運行模式采取相應(yīng)的行動。例如，可以采用下面 5 種不同的運行模式。

• Power On Mode: 系統(tǒng)上電后進入 Power On Mode，系統(tǒng)上電后，F(xiàn)28M35H52C1 中的 Cortex-M3內(nèi)核 boot 程序首先啟動，此時 C28x 控制子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，需要 M3 主子系統(tǒng)將其從復(fù)位狀態(tài)解除。M3 主子系統(tǒng)設(shè)定 M3 和 C28x 內(nèi)核的時鐘頻率，由于 M3 和 C28x 的主頻之比必須

為整數(shù)比，因此 M3 和 C28x 的主頻設(shè)定只能為 60/60MHz、75/150MHz、100/100MHz。在 M3 和C28x 的主頻設(shè)定完成之后，需要由 M3 主子系統(tǒng)對整個芯片的外設(shè)資源以及 GPIO 進行配置，來決定哪些 GPIO 可以由 C28x 控制子系統(tǒng)進行配置。本系統(tǒng)中 M3 和 C28x 主頻設(shè)定為 75/150MHz。當所有的初始化操作完成后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入到 Standby Mode。

• Standby Mode：所有的 PWM 和繼電器被關(guān)閉。系統(tǒng)等待啟動命令，也檢測是否發(fā)生錯誤。

• Soft Start Mode: 接收到啟動命令，系統(tǒng)進入軟啟動模式，PWM 和繼電器開啟。如果啟動成功而且沒有錯誤發(fā)生，系統(tǒng)自動進入正常逆變模式。

• Normal Inverter Mode: 該模式下系統(tǒng)輸出功率，如果沒有錯誤發(fā)生也沒有收到關(guān)閉命令，系統(tǒng)會一直處于這個模式。

• Fault Mode: 如果發(fā)生錯誤，例如母線過壓，系統(tǒng)立即進入 Fault Mode。所有 PWM 輸出被封鎖，輸出繼電器被斷開。Fault 狀態(tài)可以被按鍵或者 GUI清除。清除后，系統(tǒng)會返回到Standby Mode

圖 90 C28x 端程序系統(tǒng)狀態(tài)機

圖 101 Concerto ADC 框圖

Concerto 系列有兩個 12-bit ADC 模塊，每個 ADC 模塊包含兩個采樣保持電路，支持同步或者順序采樣模式，3 個帶 10-bitDAC 的模擬比較器，模擬信號的輸入范圍 0V~3.3V( 內(nèi)部參考)或者VREFHI/VREFLO 比例關(guān)系(外部參考)。

圖 11 給出了詳細的 ADC 配置，TMS320F28M35H52C 的 Cortex-M3 和 C28x 內(nèi)核都能夠訪問 ADC的結(jié)果寄存器，而且 2 個 ADC 模塊共享 4 個模擬輸入， Concerto ADC 模塊的這個特性允許對關(guān)鍵信號進行安全性驗證，提高系統(tǒng)的可靠性。

4.2 電力線載波通訊 PLC 智能家居網(wǎng)關(guān)

智能家居網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒎块g內(nèi)的智能電器以有線或者無線的方式組成網(wǎng)絡(luò)，集中進行管理。如圖 10 所示，TMS320F28M35H52C 的 C28x(運行于 150MHz)主要完成電力線載波通信(Power Line CarrierCommunication)PLC 的 OFDM 物理層算法。Cortex-M3(75MHz)的運行 TCP/IP 協(xié)議接入以太網(wǎng)，其次，可選地通過 UART 接口外接 GPRS 模塊或者通過 EBI 外擴總線連接 TFT 彩屏用戶界面。

5、總結(jié)

Concerto C2000 異構(gòu)雙核 MCU 將 C28x DSP 內(nèi)核與 ARM 公司的 Cortex-M3 內(nèi)核融合在一起，展示出高效的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊和事件管理的強大性能。C28x 和 Cortex-M3 兩個子系統(tǒng)分工明確，又通過 IPC 模塊巧妙實現(xiàn)了實時高效地核間通訊。在軟件方面，controlSUITE 開發(fā)平臺提供多種組件，包括 TCP/IP 協(xié)議棧、IPC 驅(qū)動、USB 協(xié)議棧、FAT 文件系統(tǒng)等，可幫助用戶更快地開發(fā)出創(chuàng)新性的產(chǎn)品。