這次奉上與LPC5500“核心”相關的“硬核”技術——雙核,以饗讀者。誠然,MCU雙核已不是什么新鮮玩意兒。但是,LPC5500博采了LPC4300和LPC54110這兩個系列所長,使得雙核更簡單實用。
LPC5500雙核基本架構
雙核并不高深,所謂雙核就是兩個CPU——中央處理單元,也就是一個MCU芯片內置了兩個CPU。
和之前支持雙核的LPC系列一樣,針對于MCU嵌入式應用,LPC5500依然采用簡單的非對稱架構,即一個主CPU,一個從CPU,這類似于有些產品采用主MCU和從MCU的設計。只是支持雙核的MCU,是共享此MCU所有的存儲器和外設接口資源。
共享就帶來競爭的問題,處理不當則影響性能。LPC5500有配套的系統架構來使得此共享可轉化為并行的,從而盡量避免競爭,來保證性能不被影響。
應對競爭架構上的考慮,如下圖所示,主要有兩條:
內部AHB總線是多層矩陣架構;
分離出多塊獨立的SRAM。
圖中所示:紅色框是多層AHB矩陣總線;綠色框是多塊分立的存儲塊。主CPU和從CPU的代碼數據可存放在不同存儲塊中,它們和圖中左下角大量外設接口并行的掛在矩陣總線上。
這樣,藍色框中的雙核CPU0和CPU1,可以同時并行地對存儲塊和外設接口進行訪問,即程序可以同時運行。如此,則雙核的威力能夠得以充分的發揮。
至此,我們初步認識了LPC5500雙核,了解了其基本框架。但是,這好比我們只是遠遠的看見了一個人,大概知道其身形,他具體容貌怎樣的呢?讓我們一起往下看
LPC5500雙核面貌特征
上面提到,LPC5500雙核分為主從,主CPU命名為CPU0,從CPU命名為CPU1。它們都是基于ARM Cortex-M33的。
它們的基本配置構成如下:
1、CPU0 (r0p3版):
頻率最高可達100MHz
TrustZone、DSP、浮點單元和存儲保護單元(MPU)
內置嵌套向量中斷控制器(NVIC)
串行線調試接口(SWD)
內置嵌套向量中斷控制器(NVIC)
串行線調試接口(SWD)
系統嘀嗒定時器(System tick timer)
2、CPU1 (r0p3版):
頻率最高可達100 MHz
內置嵌套向量中斷控制器(NVIC)
串行線調試接口(SWD)
系統嘀嗒定時器(System tick timer)
顯然,作為從的CPU1比主CPU0少了TrustZone、浮點單元(FPU)等,這使得主CPU0天然地計算處理能力更強。
但是賦予主CPU0這些亮點,不是讓它做顏值擔當,而是任務擔當的。這讓我們自然想到雙核的典型應用——相信這也是大家很關心的。
LPC5500雙核典型應用
LPC5500的雙核典型應用,即基本應用思路,與之前LPC4300和LPC54110一樣。
主CPU用來做處理計算任務(比如算法),從CPU負責外設實時控制和數據傳輸。
這樣,能充分利用雙核達到更好性能。參見下圖:
哦,LPC5500雙核很“酷”的樣子,有點“喜歡”上它了,可是,相愛容易相處難啊?!
不要擔心,難,那是因為不懂得如何“相處”。
接下來,讓我們來聊聊如何和LPC5500雙核“相處”——雙核的實現,這主要涉及到以下內容:雙核啟動;雙核通訊;雙核調試。
1雙核啟動
對于單核MCU,上電啟動過程簡單明了,如單身狗的生活簡單自由,該干啥干啥,不能指望也無需考慮他人。
兩人世界就需要協商著行動了,LPC5500采取了和最早LPC4300系列類似的雙核啟動機制,即出廠默認并固定一個核為主,另一個為從,不能更改,“專制”卻簡單易用。
隨后的LPC54110系列則實行“民主”機制,兩個核可以輪流坐莊,即用戶可以在啟動過程中選擇其中之一為主核,這樣提供了靈活性,但略微復雜。
為了簡單起見,如今新的LPC5500雙核使用固定的主從模式。
LPC5500上電時,自然地按照主從,主核CPU0如單核一樣直接啟動,從核CPU1則hold住不動——這由硬件自動完成。
主核啟動后負責初始化運行環境,然后配置好從核的啟動地址(即從核代碼映像運行的起始地址),最后釋放從核CPU1——這些由軟件完成。這時,主從雙核就分別如同單核一樣同時運行它們各自的代碼了。
要讓雙核“和諧”運作,關鍵是要讓兩個核的代碼映像存儲和運行空間獨立互不干擾(參見前面關于多層總線矩陣和多塊存儲塊的介紹),這點具體實現方法是靈活的,比單核來得復雜些。這里就不具體展開,有需要的可找相關資料學習,比如,我們有篇應用筆記通過測試雙核coremark分數,提供了一種達到最好性能的實現方法。不關心這些細節也不用擔心,NXP已經提供了相關SDK庫可直接借用。
2雙核通訊
當兩個核都運行起來后,它們可以像兩個不同行業的人,各自做著自己的本職工作,默默為社會貢獻自己的力量,老死不相往來。但大多數應用中,兩個核除了各司其職,還需要互相通訊,協同工作。
LPC5500提供了一套簡單的硬件通訊機制,叫內部CPU郵箱通訊機制,可以適用于大多數嵌入式系統雙核的通訊應用。
這套機制從LPC54110系列繼承而來,最早的LPC4300系列雙核通訊幾乎完全靠軟件來實現,占用資源,且給使用帶來不少難度。目前這套機制,簡單易用,但不死板,留給用戶一定靈活發揮空間。
它主要提供了兩種寄存器,一種是32位的CPU中斷寄存器,兩個CPU都能訪問它,32位中只要有一位不為零,就能產生中斷請求,且每一位可代表一個不同狀況,比如事件或者狀態,這完全可由用戶自己定義。
這樣CPU間就可相互實時通訊了,比如一個CPU完成某項任務,寫入一個非0值到此寄存器,發出中斷信號,另一CPU中斷后讀取此值,來決定后續工作。
通訊的一大需求就是同步,這就需要另一個叫做互斥寄存器的來完成,它只有第0位(bit0)可用,復位后默認值為1。當讀此寄存器時,讀出數值的同時這位自動被清0;當寫它時,這位將再次被置為1。
此正是互斥量的特性,以用于實現CPU間對任何共享資源的握手同步。例如,當一個CPU要訪問某共享資源時,先讀此寄存器,若讀到的是1,表示資源可用,同時1被自動清為0;若讀到0,則表示資源被占用;在CPU用完共享資源時,即寫此寄存器,使其置1,表示釋放了資源為可用。
這套郵箱機制簡單框架圖如下:
順便提下,我們在LPC5500 SDK包中還提供了一套開源多核軟件開發包,包括庫和大量例程。通過庫的API提供了支持用戶實現復雜的多核通訊機制。
這套多核SDK的庫代碼包含在LPC5500SDK包以下路徑:
例程則在:
3雙核調試
LPC5500的雙核都支持SWD調試模式,就調試的級別來說,它們是”平等”的。實際實現時,每個核一般有自己的工程,它們各自的調試和單核無異。
但在兩個核有關聯時(即前面提到的雙核啟動和雙核通訊過程),調試要有所注意,關鍵就是要真正理解了這兩個過程機制,依據這兩個機制的特點進行調試,則基本沒什么問題。
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原文標題:【硬核干貨】LPC5500——簡便易用的雙核技術
文章出處:【微信號:Zlgmcu7890,微信公眾號:周立功單片機】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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