01

前言

隨著汽車(chē)電子的高速發(fā)展，電控單元的復(fù)雜性越來(lái)越高，對(duì)芯片的算力要求也迅速提高，于是，例如ARM架構(gòu)這樣的異構(gòu)處理器的應(yīng)用也更為普遍。對(duì)于多核異構(gòu)處理器而言，核間通訊是一項(xiàng)至關(guān)重要的特性。核間通訊的性能往往能對(duì)整個(gè)處理器的性能釋放起到?jīng)Q定性的作用。

本文將以NXP的IPCF為例，并簡(jiǎn)單對(duì)比一些其他方案，淺析核間通訊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

02

軟件架構(gòu)

IPCF架構(gòu)框圖

根據(jù)IPCF架構(gòu)框圖，它基于硬件（NXP硬件平臺(tái)），服務(wù)于應(yīng)用（客戶(hù)應(yīng)用程序），由硬件驅(qū)動(dòng)（ipc-hw）、操作系統(tǒng)接口（ipc-os）與功能實(shí)現(xiàn)（ipc-shm）這三個(gè)子模塊構(gòu)成。通過(guò)這一設(shè)計(jì)，核間通訊方案可以將算法實(shí)現(xiàn)與下層的軟、硬件系統(tǒng)解耦，實(shí)現(xiàn)高度的模塊化和可移植性。

03

硬件驅(qū)動(dòng)（ipc-hw）

硬件驅(qū)動(dòng)是架構(gòu)中的最底層。它與硬件直接相關(guān)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作，例如通知（中斷）和數(shù)據(jù)（內(nèi)存）的操作。

在IPCF的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，硬件驅(qū)動(dòng)全權(quán)掌管對(duì)硬件的交互，向上則面向操作系統(tǒng)接口與功能實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)子模塊。

代碼實(shí)例

在NXP公開(kāi)的源碼中可以看到，對(duì)于不同的硬件平臺(tái)，它分別提供了對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，而頭文件保持一致，確保接口的一致性。

粗略閱讀頭文件可以看到，這一模塊主要提供的是對(duì)芯片中斷的支持，可以完成注冊(cè)、啟用、禁用和觸發(fā)中斷等一系列操作。

核間通訊中斷的硬件設(shè)計(jì)也是一門(mén)學(xué)問(wèn)。NXP的S32系列芯片設(shè)計(jì)了若干個(gè)專(zhuān)用的核間通訊中斷（具體數(shù)量由芯片型號(hào)決定），每個(gè)中斷都有自己的一組寄存器以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向觸發(fā)（Steering），用戶(hù)可以通過(guò)寄存器配置，靈活設(shè)置每一個(gè)中斷的發(fā)送核與接收核。這樣可以利用有限的資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)所需的具體核心之間的通訊需求。

04

操作系統(tǒng)接口（ipc-os）

操作系統(tǒng)接口是架構(gòu)中的中間層，但從整個(gè)系統(tǒng)而言，它也可以說(shuō)是軟件方面的最底層。它負(fù)責(zé)與操作系統(tǒng)交互，例如掌控程序的執(zhí)行流程（中斷和任務(wù)的調(diào)用）。

在IPCF的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，操作系統(tǒng)接口向下依賴(lài)于硬件驅(qū)動(dòng)，向上服務(wù)于功能實(shí)現(xiàn)。

代碼實(shí)例

在NXP公開(kāi)的源碼中可以看到，對(duì)于不同的操作系統(tǒng)，它也分別提供了對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在A核側(cè)可以看到有對(duì)uio的支持，而如果拿到M核側(cè)的源碼，則可以看到對(duì)AUTOSAR、FreeRTOS等多個(gè)操作系統(tǒng)的支持。

相比硬件驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)的接口明顯更多樣（畢竟硬件都是NXP自家的），但無(wú)一例外地都應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)軟件模塊的各種例程在操作系統(tǒng)中的適當(dāng)調(diào)用。

雖然操作系統(tǒng)林林總總，但這一子模塊需要解決的問(wèn)題無(wú)非是各類(lèi)例程的調(diào)用（初始化、周期任務(wù)、中斷任務(wù)）和對(duì)軟件底層資源的使用（文件讀寫(xiě)）。

05

功能實(shí)現(xiàn)（ipc-shm）

功能實(shí)現(xiàn)是架構(gòu)中的最上層，負(fù)責(zé)提供對(duì)應(yīng)用程序的軟件接口，并依賴(lài)于硬件驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的邏輯。相比起更為直白和穩(wěn)定的軟硬件基礎(chǔ)件，功能實(shí)現(xiàn)的自由度更大，可供發(fā)揮的空間也更多。針對(duì)具體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)更高效的功能實(shí)現(xiàn)將起到事半功倍的效果。

代碼實(shí)例

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在NXP公開(kāi)的源碼中，這一子模塊以其傳輸介質(zhì)的形式（shared memory）被命名為shm。它實(shí)現(xiàn)了幾種通用的通訊算法，以共享內(nèi)存與中斷通知的組合，完成消息和數(shù)據(jù)的傳遞。

和幾乎所有的消息系統(tǒng)一樣，它將消息的訪(fǎng)問(wèn)方式分為回調(diào)與輪詢(xún)兩種，以滿(mǎn)足不同時(shí)效性要求的場(chǎng)景。

而在數(shù)據(jù)算法方面，它又設(shè)計(jì)了兩種形式，其中unmanaged類(lèi)型是以一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域?yàn)橄⒌膬?nèi)容，發(fā)送方可以直接覆蓋數(shù)據(jù)，因此在例如接收方處理速度較慢的情況下，可能出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的結(jié)果，但其優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)送的消息不會(huì)被阻塞，保證信息的實(shí)時(shí)性。正如其官方建議的那樣，此類(lèi)數(shù)據(jù)處理形式適用于例如視頻流傳輸?shù)日麎K訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的、新數(shù)據(jù)優(yōu)先的場(chǎng)景中。

而managed類(lèi)型則是一種先入先出式的隊(duì)列系統(tǒng)。首先它會(huì)將內(nèi)存區(qū)域劃分成固定大小的緩存塊，并根據(jù)一張讀寫(xiě)的索引表，按順序?qū)?shù)據(jù)存入緩存塊中，再按順序取出使用。這一層可以當(dāng)作對(duì)存儲(chǔ)器的基本數(shù)據(jù)隊(duì)列處理。為了更好地利用內(nèi)存空間，它還設(shè)計(jì)了另一層消息隊(duì)列，支持分布不同長(zhǎng)度的緩存塊，可以理解為將多個(gè)緩存隊(duì)列并列起來(lái)，但其代價(jià)是為了保證所有隊(duì)列中消息的有序性，需要另建一張總的索引表來(lái)記錄所有消息的讀寫(xiě)索引。這種方式能夠嚴(yán)格保證消息的有序和有效，但可能出現(xiàn)阻塞。

當(dāng)然，這些現(xiàn)成的通訊算法并不一定能完全滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的需求，也存在許多明顯的局限性，例如自身沒(méi)有數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)、輪詢(xún)方式不支持單條消息的讀取等等，這些都是筆者在實(shí)際應(yīng)用中所發(fā)現(xiàn)的，旨在拋磚引玉。到了這些時(shí)候，就需要軟件開(kāi)發(fā)者各顯神通，或是加以改進(jìn)，或是另辟蹊徑，只為不斷提高核間通訊的可用性，以滿(mǎn)足日益繁雜的業(yè)務(wù)需求。

06

其它方案

Linux RPMsg framework for STM32MP15x

Rpmsg是Linux內(nèi)核提供的一種通用的通訊方案，在當(dāng)前的汽車(chē)電子領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。下面是STM32MP15x系列芯片的RPMsg方案的概覽：

從中可以看到，作為一種示范性的通用方案，它與NXP的IPCF也有許多異曲同工之妙。

我們自下而上來(lái)看，首先是SoC的硬件層。IPCC是inter-processor communication controller的縮寫(xiě)，負(fù)責(zé)的是核間通訊的通知（中斷）收發(fā)，向上的mailbox和remote proc則相當(dāng)于對(duì)硬件中斷封裝的驅(qū)動(dòng)，這與NXP IPCF中的ipc-hw是大致對(duì)應(yīng)的。MCUSRAM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)器的管理，其中的收發(fā)Vring及對(duì)應(yīng)的緩存實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列，向上則聯(lián)通Linux內(nèi)核中的Virtio虛擬輸入輸出總線(xiàn)，最后是rpmsg模塊，這樣的結(jié)構(gòu)也大致與ipc-os和ipc-shm對(duì)應(yīng)。

TI Jacinto的IPC

在TI的Jacinto上也有類(lèi)似的基于rpmsg的核間通訊方案IPC。從設(shè)計(jì)上與上述方案都大同小異：Mailbox管理中斷，VRing管理數(shù)據(jù)，向上通過(guò)rpmsg模塊實(shí)現(xiàn)消息的收發(fā)接口。

07

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例分析和對(duì)比，介紹了核間通訊的總體軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與各個(gè)子模塊的實(shí)現(xiàn)。作為影響多核系統(tǒng)性能的重要一環(huán)，核間通訊在如今的汽車(chē)電子模塊中對(duì)實(shí)時(shí)性和吞吐量都提出了越來(lái)越高的要求，在一些具體業(yè)務(wù)中，還會(huì)對(duì)安全性等方面提出額外的需求。這一切也給核間通訊開(kāi)辟了更多的發(fā)展空間，同時(shí)為廣大汽車(chē)人提供了更廣闊的舞臺(tái)。

審核編輯：劉清