AMP為您的下個(gè) SoC 項(xiàng)目助力

充分利用 Linux 的實(shí)時(shí)性能和豐富特性。

嵌入式系統(tǒng)一般分為兩大類：需要硬實(shí)時(shí)性能的;和不需要硬實(shí)時(shí)性能的。過(guò)去，我們不得不做出艱 抉擇，即選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能還是我們鐘愛(ài)的 Linux 系統(tǒng)的豐富特性，然后努力彌補(bǔ)不足之處。

如今，嵌入式開(kāi)發(fā)人員再也不需要在二者之間艱難選擇。非對(duì)稱多處理 (AMP) 兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點(diǎn)。幾款新型片上系統(tǒng) (SoC) 產(chǎn)品集成了多個(gè) CPU、多種標(biāo)準(zhǔn) I/O 外設(shè)和可編程邏輯。例如，賽靈思 Zynq-7000® All Programmable SoC 系列包含一個(gè)雙核 ARM® Cortex™-A9、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)(例如千兆位以太網(wǎng) MAC、USB、DMA、SD/MMC、SPI 和 CAN)以及龐大的可編程邏輯陣列。我們可將這些 SoC 產(chǎn)品作為 Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，助其實(shí)現(xiàn)高度的靈活性。

典型的 AMP 配置在很多方面類似于基于 PCI 的系統(tǒng)，即 Linux 域起到主機(jī)作用，RTOS 域起到適配器作用，并有一個(gè)或多個(gè)共享存儲(chǔ)器域用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)域之間的通信。不過(guò)與 PCI 不同，AMP 配置能更方便、動(dòng)態(tài)地為一個(gè)或另一個(gè)域分配資源(標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和自定義邏輯)。此外，Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)能根據(jù)運(yùn)行時(shí)間要求——例如各種外部設(shè)備的有無(wú)——動(dòng)態(tài)地重新配置可編程邏輯。

靈活程度通常會(huì)與建立 AMP 系統(tǒng)所涉及的復(fù)雜性和難度息息相關(guān)。不過(guò)請(qǐng)放心，Linux 開(kāi)發(fā)社區(qū)已經(jīng)將很多功能引入到核心，能大大簡(jiǎn)化 AMP 配置與使用。

LINUX 多處理簡(jiǎn)介

就多處理而言，Linux 核心分為兩種：?jiǎn)翁幚砥?(UP) 核心和對(duì)稱多處理器 (SMP) 核心。無(wú)論有多少個(gè)內(nèi)核，UP 核心只能在單個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行。AMP 系統(tǒng)可包含兩個(gè)或更多個(gè)單處理器內(nèi)核的實(shí)例。

SMP 核心可在一個(gè)內(nèi)核或同時(shí)在多個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行(圖 1)?？蛇x的核心命令行參數(shù)控制系統(tǒng)初始化之后 SMP 核心所使用的內(nèi)核數(shù)量。核心運(yùn)行時(shí)，各種命令行實(shí)用程序會(huì)控制分配給核心的內(nèi)核數(shù)量。能夠動(dòng)態(tài)地控制內(nèi)核所使用的內(nèi)核數(shù)量，這是 SMP 核心比 UP 核心更受 AMP 開(kāi)發(fā)人員青睞的主要原因。

 圖 1 — 對(duì)稱多處理。SMP 核心可在多個(gè)內(nèi)核上同時(shí)運(yùn)行。

遠(yuǎn)程處理器 (remoteproc) 框架是一種 Linux 組件，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和停止各個(gè)內(nèi)核(遠(yuǎn)程處理器)，以及在 AMP 系統(tǒng)中加載內(nèi)核的軟件。例如，我們可以將圖 1 所示的 SMP 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地重新配置為圖 2 所示的 AMP 系統(tǒng)，然后再使用 remoteproc 的功能配置回 SMP。

我們可以通過(guò)用戶空間應(yīng)用程序或系統(tǒng)初始化腳本完全控制重配置。重配置控制功能使用戶應(yīng)用可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求停止、重新加載和運(yùn)行多種 RTOS 應(yīng)用程序。

   圖 2 — 具有 Linux SMP 核心的 AMP

內(nèi)核的軟件(本例中是指 RTOS 和用戶應(yīng)用程序)從標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行和可鏈接格式 (ELF) 文件中加載，該文件包含一個(gè)資源表的特殊段。資源表類似于 PCI 配置空間，用來(lái)描述 RTOS 需要的資源。這些資源中包括 RTOS 代碼和數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)器。

追蹤緩沖區(qū)

追蹤緩沖區(qū)是自動(dòng)在 Linux 文件系統(tǒng)中作為文件出現(xiàn)的存儲(chǔ)器區(qū)域。顧名思義，追蹤緩沖區(qū)向遠(yuǎn)程處理器提供基本追蹤功能。遠(yuǎn)程處理器向緩沖區(qū)寫入追蹤、調(diào)試和狀態(tài)消息，以便通過(guò) Linux 命令行或定制應(yīng)用進(jìn)行檢查。

能夠動(dòng)態(tài)地控制核心所使用的內(nèi)核數(shù)量，這是 SMP 核心比 UP 核心更受 AMP 開(kāi)發(fā)人員青睞的主要原因。

在資源表中輸入條目，以請(qǐng)求一個(gè)或多個(gè)追蹤緩沖區(qū)。盡管一般包含純文本，但追蹤緩沖區(qū)也會(huì)包含二進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如應(yīng)用狀態(tài)信息或警報(bào)指示。

虛擬 I/O 設(shè)備

我們還可使用資源表定義虛擬輸入/輸出設(shè)備 (VDEV)，這種設(shè)備主要是支持 Linux 核心與遠(yuǎn)程處理器之間消息傳送的幾對(duì)共享存儲(chǔ)器隊(duì)列。VDEV 定義包括用來(lái)設(shè)定隊(duì)列大小的字段，以及用來(lái)在處理器之間發(fā)信號(hào)的中斷。

Linux 核心可處理虛擬 I/O 隊(duì)列的初始化。遠(yuǎn)程處理器上運(yùn)行的軟件只需要在其資源表中包含一個(gè) VDEV 描述，然后在開(kāi)始執(zhí)行時(shí)使用隊(duì)列;剩下的都由核心來(lái)處理。

遠(yuǎn)程處理器消息框架

遠(yuǎn)程處理器消息 (rpmsg) 框架是基于 Linux 核心的虛擬 I/O 系統(tǒng)的軟件消息總線。該消息總線類似于局部區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)處理器可在其中通過(guò)共享存儲(chǔ)器創(chuàng)建可尋址端點(diǎn)和交換信息。

核心的 rpmsg 框架起到開(kāi)關(guān)的作用，根據(jù)消息中包含的目的地址將消息傳送到相應(yīng)端點(diǎn)。由于消息報(bào)頭包含源地址，因此可在不同處理器之間建立專用連接。

命名服務(wù)

處理器可通過(guò)向 rpmsg 框架的命名服務(wù)發(fā)送消息，以動(dòng)態(tài)宣布特定服務(wù)。命名服務(wù)功能本身用途不是很大。不過(guò)，rpmsg 框架允許將服務(wù)名稱關(guān)聯(lián)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以支持驅(qū)動(dòng)程序的自動(dòng)加載和初始化。

例如，如果遠(yuǎn)程處理器宣布 dlinx-h323-v1.0 服務(wù)，那么核心可以搜索、加載和初始化與該名稱關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)程序。如果系統(tǒng)中服務(wù)被動(dòng)態(tài)安裝在遠(yuǎn)程處理器上，那么這樣可大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序管理。

管理中斷

中斷管理有些棘手，尤其在啟動(dòng)和停止內(nèi)核時(shí)更是如此。最終，系統(tǒng)需要在遠(yuǎn)程處理器啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)地將特定中斷重定向至遠(yuǎn)程處理器域，然后當(dāng)遠(yuǎn)程處理器停止時(shí)收回中斷。此外，系統(tǒng)必須保護(hù)中斷，防止其被錯(cuò)誤配置的驅(qū)動(dòng)程序誤分配。簡(jiǎn)言之，必須在系統(tǒng)層面管理中斷。

對(duì)于 Linux SMP 核心而言，這是一個(gè)常規(guī)事件，而且是 SMP 核心在 AMP 配置中更受青睞的另一個(gè)原因。遠(yuǎn)程處理器框架能方便地管理中斷，只需來(lái)自設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的最小支持。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)是個(gè)始終需要關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)樗璧募寄芙M合可能無(wú)法立刻提供。幸運(yùn)的是，Linux 核心的 remoteproc 和 rpmsg 框架完成大部分重活;驅(qū)動(dòng)程序只需要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序例程。功能完整的驅(qū)動(dòng)程序可能只需要幾百行代碼。核心源代碼樹(shù)包含嵌入式開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)自身要求進(jìn)行調(diào)整的驅(qū)動(dòng)程序范例。

廠商還提供通用的開(kāi)源設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。DesignLinx Hardware Solutions 提供針對(duì) Linux 和 FreeRTOS 的通用 rpmsg 驅(qū)動(dòng)程序。由于通用驅(qū)動(dòng)程序沒(méi)有假定所交換消息的格式，因此嵌入式開(kāi)發(fā)人員可將其用于多種 AMP 應(yīng)用，無(wú)需做任何修改。

引腳內(nèi)移動(dòng)

核心的多處理支持并不局限于同構(gòu)多處理系統(tǒng)(使用同一類型處理器的系統(tǒng))。以上介紹的所有特性也可以用在異構(gòu)系統(tǒng)中(具有不同類型處理器的系統(tǒng))。當(dāng)“在引腳內(nèi)”移植已有設(shè)計(jì)時(shí)，這些多處理功能尤其有用。

新型 SoC 產(chǎn)品使設(shè)計(jì)人員能夠方便地將各種硬件設(shè)計(jì)從印刷電路板移植到片上系統(tǒng)(圖 3)。過(guò)去在 PCB 上作為分立處理器和組件的部分可以完全在 SoC 的引腳內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

例如，我們可以使用賽靈思 Zynq-7000 系列 SoC 實(shí)現(xiàn)圖 3 中的初始 PCB 硬件架構(gòu)，將其中一個(gè) ARM 處理器作為可編程邏輯中的控制 CPU 和軟處理器(例如賽靈思 MicroBlaze™ 處理器)，以替代分立處理器。我們可以使用剩余的 ARM 處理器運(yùn)行 Linux SMP 核心(圖 4)。

將 Linux 添加到初始設(shè)計(jì)中能夠?yàn)?ARM 內(nèi)核和軟核處理器提供以上描述的所有標(biāo)準(zhǔn)多處理功能(例如啟動(dòng)、停止、重載、追蹤緩沖區(qū)和遠(yuǎn)程消息)。而且，還帶來(lái)豐富的 Linux 功能集，可支持多種網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍(lán)牙)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web 服務(wù)器、FTP、SSH、SNMP)、文件系統(tǒng)(DOS、NFS、cramfs、閃存存儲(chǔ)器)以及其他接口(PCIe、SPI、USB、MMC、視頻)等。這些特性能方便地實(shí)現(xiàn)新功能，無(wú)需對(duì)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的架構(gòu)做太大改動(dòng)。

新型 SoC 產(chǎn)品使設(shè)計(jì)人員能夠方便地將各種硬件設(shè)計(jì)從印刷電路板移植到片上系統(tǒng)。

內(nèi)核不斷涌現(xiàn)

過(guò)去幾年中，針對(duì)嵌入式市場(chǎng)的多核 SoC 產(chǎn)品不斷增加，而且很適合用于 AMP 配置。

例如，賽靈思 UltraScale+™ MPSoC 架構(gòu)包含一個(gè) 64 位四核 ARM Cortex-A53、一個(gè) 32 位雙核 ARM Cortex-R5、一個(gè)圖形處理單元 (GPU) 以及多種其他外設(shè)，當(dāng)然還包括有用的可編程邏輯。這為那些清楚如何駕馭實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能以及 Linux 核心的豐富特性集的設(shè)計(jì)人員提供了沃土。