MCU多核异构通信原理

摘要：

本文结合瑞萨RZ/G2L 多核处理器，给大家讲述一下多核异构设计及通信的原理。

随着电子技术的不断发展，以及市场需求的日益增长，嵌入式系统不仅要求执行复杂的控制任务，还需要实时地采集和处理数据。

为了满足这些需求，多核异构处理器成为了一种流行的解决方案。这类处理器通常结合了ARM架构的A系列核心（用于处理高级计算任务）以及M系列或R系列核心（专注于实时操作）。

在这种架构下，复杂的控制任务可以由搭载Linux的A核心处理，而实时数据的采集和处理则可以交由运行RTOS的M核或R核来完成。

本文结合瑞萨RZ/G2L 多核处理器，给大家讲述一下多核异构设计及通信的原理。

瑞萨多核处理器概述

在传统设计中，两颗芯片之间需要通过外部接口交换大量数据，这不仅占用了宝贵的引脚资源，而且数据传输效率低下。

相反，集成了A核和M核或R核的多核异构处理器利用内部总线结构实现了快速通信，并共享内部资源，从而避免了对外部引脚的占用。

这种多核异构的系统设计不仅降低了通信过程中的信息安全风险，还减少了芯片采购和管理成本，缩减了PCB板的成本和尺寸，并简化了开发流程。

瑞萨RZ/G2L处理器概述

配备双核Arm® Cortex®-A55 (1.2 GHz) CPU和单核Arm® Cortex®-M33 (200 MHz) CPU、3D图形加速引擎和视频编码解码引擎器的通用微处理器。

G2L框图

异构通信机制

异构通信机制（OPENAMP Open Asymmetric Multi-Processing）的方案越来越成熟了。

在RZ/G2L系列的MPU中，我们可以看到多核异构架构的一个实际应用。这款MPU拥有一个大核Cortex-A55，频率高达1.2GHz，能够运行Linux操作系统，以及一个小核Cortex-M33，频率为200MHz，专门用于运行RTOS或裸机(bare-metal)程序。这两个核心之间的异构通信是通过OpenAMP软件框架实现的。

OpenAMP是一个轻量级的通信协议，它使得不同的处理器能够通过共享内存或消息传递机制来进行交流。在一个多核处理系统中，各个处理器可能会运行不同的软件模块，而OpenAMP框架则为这些模块之间的数据交换和协作提供了一种有效的手段。通过这种方式，OpenAMP不仅简化了多处理器间的通信，还增强了整个系统的协同效率和功能性。见图1。

图1

Virtio 虚拟化模块

Virtio是一个共享内存管理的虚拟设备框架，Virtio中的vring是指向数据缓冲区指针的FIFO队列，有两个单向的vring，一个vring专用于发送到远程处理器的消息，另一个vring用于从远程处理器接收的消息， 数据就存放于共享的内存中，即Vring buffers， 一半用于发送，一半用于接收。
 

RPMsg远程处理器消息传递

RPMsg框架位于Virtio的上层，RPMsg（Remote Processor Messaging）框架是一种基于Virtio的消息总线。见图2。

图2

Remoteproc

主处理器上的Linux操作系统可以对远程处理器及其相关软件环境进行生命周期管理，即启动或关闭远程处理器。见图3。

图3

IPCC处理器间通信控制器

MHU（Message Handling Unit）是MPU芯片内的一个IP模块，担任IPCC角色，用于Cortex-A55（CA55）之间或与Cortex-M33（CM33）之间的消息通信。数据传输通过共享内存方式实现。

一个通道由一对数据传输处理寄存器和响应传输处理寄存器组成，共挂载12个通道（CA55 Core0/Core1 CM33，安全和非安全区域）。见图4。

图4

以上介绍了RZ/G2L双核异构的通信方式，同时RZ/G2L产品也提供相应的软件支持。

Multi-os (CA55 Linux + CM33 RTOS)

客户可以使用灵活的软件包（FSP）快速开发应用程序，使用OpenAMP创建与Linux配合使用的应用程序。见图5。

图5

Cortex-M33开发环境

图6

相应硬件板及软件工具可以通过瑞萨官网获得。

JTAG在线调试

当连接JTAG时，必须如下设置DIP SW1。见图7。

图7

CORTEX-M33启动方式

● CM33由CA55加载启动● 引导过程中有多个时间点可以执行此操作：

● Arm Trusted Firmware

 启动CM33的最快方法

 允许将代码加载到安全RAM中

● u-boot -> Multi OS SW package默认方式

 CM33 固件容易更新

 二进制文件存储在u-boot可以访问的文件系统中

● Linux (remoteproc)

 最方便维护，软件升级改动少

共享资源

资源共享时，请注意如下分配

1、引脚复用

2、内存分配

3、外设分配