應(yīng)用非對(duì)稱(chēng)雙核MCU增強(qiáng)系統(tǒng)性能

初始化與可執(zhí)行映像：LPC4350在完成上電復(fù)位后，M4開(kāi)始執(zhí)行代碼，而M0卻一直保持在復(fù)位狀態(tài)。這樣，我們也可以無(wú)視M0的存在，而只按單核MCU來(lái)使用。為使用M0，需要讓M4為M0準(zhǔn)備好開(kāi)始執(zhí)行的全部環(huán)境，包括寄存器上下文與地址空間等，然后釋放M0。當(dāng)M0處在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，我們可以通過(guò)JTAG發(fā)現(xiàn)M0，但是卻無(wú)法操作它。因此，如果要調(diào)試M0的程序，需要先給M4下載適當(dāng)?shù)挠诚瘢蛊溽尫臡0才可，不可能在拿到一個(gè)空白的芯片后，直接先從M0動(dòng)手。

盡管M4與M0各有自己的映像，但是我們可以把M0的映像內(nèi)含于M4的映像中，這樣在生產(chǎn)時(shí)只需要燒寫(xiě)一次閃存。為了并入M0的映像，工具鏈通常會(huì)提供把映像轉(zhuǎn)換成C數(shù)組定義格式的功能。通過(guò)這個(gè)功能，我們把M0的映像轉(zhuǎn)換成一個(gè)C數(shù)組的表格，并且把它和M4的源文件一同編譯連接，這樣一來(lái)，M0的映像就嵌入到M4的映像中了。M4在初始化期間，要把M0的映像拷貝到準(zhǔn)備讓M0執(zhí)行的位置。由于M0固定從零地址開(kāi)始取向量，M4還需要設(shè)置M0的地址映射，把映像的首地址設(shè)置成為M0的零地址。

值得一提的是，這種“主控帶動(dòng)協(xié)控”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，也是被AMP普遍采用的。

調(diào)試時(shí)的細(xì)節(jié)：當(dāng)我們使用調(diào)試仿真器連接MCU時(shí)，通常都會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但范圍可僅限于內(nèi)核，也可復(fù)位全片。在調(diào)試M0時(shí)，需設(shè)置復(fù)位范圍僅包括M0，避免殃及正在運(yùn)行的M4。另外，也需要編寫(xiě)適當(dāng)?shù)恼{(diào)試初始化腳本，以準(zhǔn)備好內(nèi)核的執(zhí)行環(huán)境。這些工作繁瑣，但具有高度的通用性，我們可以借鑒現(xiàn)有的腳本。

我們可以同時(shí)調(diào)試M4和M0：只需運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的IDE進(jìn)程，分別打開(kāi)相應(yīng)的工程即可。經(jīng)實(shí)踐，至少在MDK+ULINK下可行。

核間任務(wù)分工

M0沒(méi)有M4強(qiáng)大的處理能力，但是作為一個(gè)CPU，亦有完整的中斷系統(tǒng)和基本的算術(shù)與數(shù)據(jù)傳送能力，并且在LPC4350上，可以在高達(dá)204MHz的主頻下運(yùn)行。合理地分擔(dān)一些任務(wù)給M0，才能利用雙核設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，我們討論兩種主要的任務(wù)分工模型。

處理高頻中斷——智能“DMA”：中斷的響應(yīng)是有額外開(kāi)銷(xiāo)的：既包括CPU的中斷模型本身產(chǎn)生的硬件開(kāi)銷(xiāo)，也包括操作系統(tǒng)的中斷管理產(chǎn)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)，當(dāng)然，也還有中斷服務(wù)程序本身執(zhí)行的開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)中斷的頻率很高時(shí)(比如：高達(dá)幾十甚至幾百kHz)，中斷的響應(yīng)將對(duì)CPU時(shí)間產(chǎn)生不可忽略的額外開(kāi)銷(xiāo)。更重要的是，中斷的響應(yīng)是由硬件處理，并凌駕于任務(wù)管理之上的，這可以影響任何任務(wù)的執(zhí)行而不論其優(yōu)先級(jí)如何。DMA明顯改善了這一狀況。但是當(dāng)DMA通道或總線分配不足，或者是設(shè)備不受DMA支持時(shí)，我們就可以讓M0來(lái)響應(yīng)這些高頻的中斷，合理組織數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而如同一個(gè)智能的DMA一樣。

例如：在調(diào)光設(shè)備中，需要進(jìn)行多達(dá)幾十甚至上百路的AD采樣來(lái)獲取每路燈光的預(yù)期亮度，以及同樣多的LED來(lái)指示實(shí)際輸出的亮度。后者需要非常多的PWM，極可能已超出硬件PWM通道的數(shù)目。因此，在實(shí)現(xiàn)AD采樣與軟件PWM時(shí)，均需要快速的通道數(shù)據(jù)流處理與高頻LED刷新，以保證PWM精度。這兩者很容易導(dǎo)致高達(dá)幾十kHz的中斷請(qǐng)求，僅中斷響應(yīng)的額外開(kāi)銷(xiāo)就可占用一半以上的CPU時(shí)間。傳統(tǒng)的做法是使用若干顆MCU來(lái)分?jǐn)偛⒂芍骺剌喸?xún)。在LPC4350下，則可由M0來(lái)處理這些任務(wù)。同樣的例子也適用于PLC應(yīng)用，它需要快速地刷新多路控制。

為弱計(jì)算操作提供額外的處理能力：M0的整體性能約是M4的72%，但對(duì)于弱計(jì)算操作(如：加減乘與邏輯運(yùn)算，移位，以及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送)，并沒(méi)有太多劣勢(shì)。弱計(jì)算操作在程序中往往占一半以上的比例，尤其體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)程序及一些通信協(xié)議棧上。合理地分配一部分弱計(jì)算操作任務(wù)給M0，可以有效提升整體的處理能力。這樣，完成相同的任務(wù)只需更低的主頻，而降低功耗，或者反過(guò)來(lái)，能夠在有限的主頻下完成需求更大的任務(wù)。

例如：在高精密工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制中，對(duì)于電機(jī)的控制往往需要運(yùn)算量很大的算法，同時(shí)又要處理如CAN、工業(yè)以太網(wǎng)，以及各種現(xiàn)場(chǎng)總線的通信。我們可以讓M4來(lái)運(yùn)行電機(jī)控制算法，而通信協(xié)議棧與驅(qū)動(dòng)程序則由M0來(lái)完成。同樣的例子也適用于嵌入式音頻——由M4執(zhí)行音頻編解碼與音效處理算法，而M0則負(fù)責(zé)音頻總線、USB等事務(wù)。

本文小結(jié)

通過(guò)以上的介紹可以看出，相比傳統(tǒng)的使用多顆MCU的方案，非對(duì)稱(chēng)雙核MCU在性能、成本、功耗、生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)都有明顯的優(yōu)勢(shì)。核間通信稍顯復(fù)雜，但作為基礎(chǔ)設(shè)施可由底層系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在具體開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題合理分配任務(wù)，并且在初始化流程、內(nèi)核鑒別以及調(diào)試上，需注意一些操作細(xì)節(jié)。

作者：宋巖

高級(jí)應(yīng)用工程師

恩智浦半導(dǎo)體