5. F28M35雙核處理器的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　5.1 F28M35雙核存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　TI 的全新Concerto-F28M35微控制器采用了一種雙子系統(tǒng)架構(gòu)，其中包含一個(gè)TI C28x內(nèi)核與一個(gè)ARM Cortex-M3內(nèi)核。這種混合架構(gòu)將業(yè)內(nèi)用于控制和主機(jī)通信功能的最佳技術(shù)融入到單個(gè)控制器中，而該控制器可提供維持實(shí)時(shí)控制環(huán)路所需的性能、效率及可靠性，并具備低延遲通信所需的快速響應(yīng)能力。

　　如圖1所示，在F28M35中包含兩類(lèi)共享內(nèi)存，一類(lèi)是MTOC-message RAM（MTOCMSGRAM）和CTOM-message RAM（CTOMMSGRAM），大小都為2K，其特點(diǎn)是一個(gè)內(nèi)核對(duì)其有讀寫(xiě)的權(quán)限，而另外一個(gè)內(nèi)核僅有只讀權(quán)限。例如，M3內(nèi)核可以讀寫(xiě) MTOCMSGRAM內(nèi)存，而C28內(nèi)核只能對(duì)MTOCMSGRAM進(jìn)行讀操作。另外一類(lèi)共享內(nèi)存包含8個(gè)內(nèi)存塊（S0-S7），大小均為8K。該類(lèi)內(nèi)存可以被劃分到任意內(nèi)核，系統(tǒng)通過(guò)控制寄存器MSxMSEL設(shè)置該類(lèi)內(nèi)存的屬性，每塊內(nèi)存對(duì)應(yīng)該寄存器中的一位，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)位來(lái)設(shè)置相應(yīng)內(nèi)存塊的歸屬權(quán)。例如，若S0被設(shè)置為歸屬M(fèi)3內(nèi)核，則M3內(nèi)核可讀寫(xiě)該內(nèi)存，而C28內(nèi)核只能對(duì)其進(jìn)行讀操作。同時(shí)需要注意的是，控制寄存器MSxMSEL只能在M3內(nèi)核中進(jìn)行設(shè)置。

　　圖1.F28M35x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　5.2 IPC機(jī)制

　　在雙核技術(shù)中，雙方之間的通信是核心。在F28M35x體系結(jié)構(gòu)中，基于IPC信號(hào)和IPC中斷實(shí)現(xiàn)IPC通信（Inter ProcessorCommunications）機(jī)制。其工作原理如圖2所示。

　　圖2.IPC機(jī)制原理

　　該處理器在每個(gè)方向（MTOC/CTOM）上定義了32個(gè)IPC信號(hào)，前4個(gè)信號(hào)促發(fā)時(shí)可以附加中斷功能。處理器通過(guò)一套寄存器組實(shí)現(xiàn)IPC信號(hào)的操作。如圖所示，每個(gè)內(nèi)核通過(guò)自己存儲(chǔ)空間內(nèi)的一套寄存器實(shí)現(xiàn)IPC功能，每個(gè)寄存器32位，每一位分別代表一個(gè)IPC信號(hào)，第0-3位同時(shí)可設(shè)置為IPC中斷。以C28內(nèi)核為例，寄存器組分別包括：

　　1）CTOMIPCSET，用于向M3核發(fā)送IPC信號(hào)或者IPC中斷。該寄存器置位時(shí)，同時(shí)將CTOMIPCFLG和CTOMIPCSTS寄存器相應(yīng)位置為1。

　　2）CTOMIPCCLR，用于清除C28到M3方向上的IPC信號(hào)或IPC中斷標(biāo)志。該寄存器置位時(shí)，同時(shí)將CTOMIPCFLG和CTOMIPCSTS寄存器相應(yīng)位清零。

　　3）CTOMIPCFLG，該寄存器為只讀寄存器，用于顯示C28核到M3核方向上當(dāng)前IPC信號(hào)的狀態(tài)。該寄存器和M3存儲(chǔ)空間中的CTOMIPCSTS寄存器在物理上是同一個(gè)寄存器。

　　4）MTOCIPCSTS，作用和CTOMIPCFLG類(lèi)似，同樣是只讀的，只是表征方向相反，用于顯示M3核到C28核當(dāng)前IPC信號(hào)的狀態(tài)。同樣，它和M3存儲(chǔ)空間中的MTOCIPCFLG寄存器在物理上是同一個(gè)寄存器。

　　5）MTOCIPCACK，該寄存器置位時(shí)，同時(shí)將MTOCIPCFLG和MTOCIPCSTS寄存器相應(yīng)位清零。當(dāng)C28內(nèi)核收到M3發(fā)送來(lái)的IPC信號(hào)或者IPC中斷時(shí)，利用該寄存器發(fā)送確認(rèn)信息，完成二者的握手。

　　形象的說(shuō)，雙核之間維護(hù)了兩條相互獨(dú)立的全雙工通道，每條通道包含了一個(gè)方向的信號(hào)發(fā)送（SET）和反向的信號(hào)確認(rèn)（ACK）。同時(shí)雙方可以隨時(shí)讀取兩個(gè)方向下的當(dāng)前IPC狀態(tài)（FLG/STS）。最終實(shí)現(xiàn)雙核間的IPC交互機(jī)制。

　　此外，F(xiàn)28M35還提供了一套IPC消息寄存器，分別是MTOC Message Registers和CTOM Message Registers，分別在每個(gè)內(nèi)核空間對(duì)應(yīng)4個(gè)寄存器。結(jié)合IPC信號(hào)和IPC中斷實(shí)現(xiàn)雙核之間的便捷通信。以M3內(nèi)核空間為例說(shuō)明，如表1所示，該寄存器組包括命令寄存器，地址寄存器，寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器，讀數(shù)據(jù)寄存器。

　　5.3 雙核芯片的軟件系統(tǒng)

　　以系統(tǒng)控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為核心的雙核系統(tǒng)的架構(gòu)方法。即設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)作系統(tǒng)控制塊（System Control Block，SCB）。將系統(tǒng)所有相關(guān)控制對(duì)象均映射到系統(tǒng)控制塊中，每個(gè)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)的操作均可轉(zhuǎn)化為對(duì)SCB的讀寫(xiě)操作，這樣系統(tǒng)可以很方便的實(shí)現(xiàn)模塊化，定義SCB操作管理模塊即可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)對(duì)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一管理。關(guān)于SCB與實(shí)際控制對(duì)象的物理關(guān)聯(lián)可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)。

　　圖3.基于SCB的系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖 3中描述了以SCB為核心的系統(tǒng)簡(jiǎn)易邏輯架構(gòu)，SCB不僅體現(xiàn)控制器與外部控制對(duì)象之間關(guān)系，例如，映射人機(jī)界面操作、PC機(jī)監(jiān)控過(guò)程以及各種輸入輸出信號(hào)等；同時(shí)，SCB還包含了雙核之間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)映射。SCB的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括A核外設(shè)映射區(qū)、B核外設(shè)映射區(qū)、系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)等。

　　圖4.SCB結(jié)構(gòu)示意圖

　　SCB是整個(gè)系統(tǒng)的體現(xiàn)，從處理器內(nèi)部分析，雙核通過(guò)維護(hù)同一個(gè)SCB實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。利用雙核之間的通信，當(dāng)其中一個(gè)內(nèi)核的SCB被寫(xiě)操作時(shí)，立即向另一內(nèi)核發(fā)送更新命令，實(shí)時(shí)完成雙核間的數(shù)據(jù)同步。以A內(nèi)核IO資源映射為例說(shuō)明SCB的同步，過(guò)程如圖5所示。

　　圖5.SCB同步示例

　　利用上小結(jié)中介紹的IPC信號(hào)機(jī)制，以及多種形式的存儲(chǔ)空間，可以靈活設(shè)計(jì)出多種雙核通信方式。如下所述：

　　1）僅利用IPC信號(hào)或者IPC中斷方式，多用于完成拓?fù)湫蚴录?zhí)行，或者系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化握手交互。

　　2）IPC信號(hào)/中斷+IPC消息寄存器組方式，用于小數(shù)據(jù)量的通信。命令寄存器中的命令完全由軟件定義，用戶(hù)可設(shè)計(jì)不同的命令來(lái)完成不同的數(shù)據(jù)操作。多用于對(duì)字節(jié)型內(nèi)存的讀寫(xiě)操作。

　　3）IPC信號(hào)/中斷+MSGRAM/S0-S7方式，S0-S7可分別分配給任意內(nèi)核，該方式可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的核間通信，同時(shí)利用通用或者自定義的通信協(xié)議，可提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力及可移植性。

　　6.小結(jié)

　　如圖6所示，是基于F28M35雙核處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的注塑機(jī)主控制器，采用本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了主從式軟件架構(gòu)，ARM核作為主核完成與上位機(jī)的通信任務(wù)和系統(tǒng)邏輯過(guò)程的控制任務(wù)，利用DSP高速的計(jì)算能力作為從核完成注塑機(jī)位置控制和溫度控制智能算法的執(zhí)行任務(wù)，雙核通過(guò)SCB的映射實(shí)現(xiàn)相互的協(xié)調(diào)。新的控制器替代了原有的以600MHZ主頻處理器為核心的控制系統(tǒng)，較好了完成了注塑機(jī)的控制任務(wù)。

　　圖6.雙核系統(tǒng)在注塑機(jī)中的應(yīng)用

　　在以后的工作中，從核智能控制算法仍有優(yōu)化的空間，系統(tǒng)性能仍可進(jìn)一步改善。另外，除了主從模式，將研究雙主模式，實(shí)現(xiàn)更靈活有效的系統(tǒng)架構(gòu)，并完成雙端獨(dú)立的在線監(jiān)控和程序下載等功能，進(jìn)一步降低軟件開(kāi)發(fā)難度。

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