1.引言

　　嵌入式技術(shù)的不斷成熟以及業(yè)界對(duì)工業(yè)設(shè)備小型化、個(gè)性化需求的不斷提高促使越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工業(yè)設(shè)備控制最大的特點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高。而通常情況下，控制過(guò)程中常常同時(shí)存在多種不同實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，不同任務(wù)對(duì)處理器時(shí)間的占用比例也有較大差異，因此如何有效的滿足并提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能成為研究的重點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)單核處理器架構(gòu)是主流，除了通過(guò)提升處理器主頻來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還通過(guò)使用搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，引入多線程，改進(jìn)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度策略等軟件方法來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。但隨著應(yīng)用不斷復(fù)雜，控制精度要求不斷提高，有限的系統(tǒng)資源成為控制系統(tǒng)性能提升的最大瓶頸。

　　針對(duì)單CPU架構(gòu)的局限性，多處理器系統(tǒng)的研究應(yīng)用逐漸增多，文獻(xiàn)［1］采用FPGA 和多個(gè)DSP 互連的并行處理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低延遲且計(jì)算性能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)［2］提出了一種基于ARM的雙CPU協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［3］采用ARM+DSP的主從式雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。文獻(xiàn)［4］分析比較了幾種典型的嵌入式雙核通信接口，并介紹了典型接口的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］在單核嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種基于對(duì)稱通信的雙核處理器嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架，解決了異構(gòu)雙核處理器中的通信效率和共享內(nèi)存的利用問(wèn)題。隨著雙核架構(gòu)應(yīng)用的不斷推廣，同時(shí)雙核微處理器技術(shù)逐漸成熟，如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效的系統(tǒng)軟件架構(gòu)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文以 F28M35雙核系統(tǒng)為例，介紹了一種以IPC通信機(jī)制為核心，基于共享內(nèi)存的雙核軟件架構(gòu)方法。

　　2.雙核間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　完成雙核間的數(shù)據(jù)通信，除了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)——共享內(nèi)存外，還需要系統(tǒng)提供一套雙核間交互的信號(hào)機(jī)制。通常該信號(hào)機(jī)制中同時(shí)包括中斷信號(hào)和非中斷信號(hào)。利用該信號(hào)機(jī)制，結(jié)合共享內(nèi)存，可設(shè)計(jì)出各種靈活的通信方式。

　　從通信信號(hào)的角度，通信方式可分為輪詢方式和中斷方式。由于輪詢方式使內(nèi)核處于忙等的狀態(tài)，因此應(yīng)盡量避免使用，該方式多用于雙核之間事件需嚴(yán)格按照一定的順序執(zhí)行的情況，例如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)雙核之間的初始化交互。

　　從攜帶數(shù)據(jù)量的角度講，雙核之間可僅僅利用信號(hào)機(jī)制完成通信，雙方協(xié)定默認(rèn)的操作；另外，也是大部分時(shí)候的通信方式，雙方通過(guò)共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，該方式在設(shè)計(jì)時(shí)，將共享內(nèi)存劃分為兩種屬性的內(nèi)存區(qū)，分別用于兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳遞。一種內(nèi)存允許一個(gè)內(nèi)核進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而允許另外一個(gè)內(nèi)核進(jìn)行只讀操作，另一種則方向相反。例如，A內(nèi)核欲向B內(nèi)核發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入A核空間內(nèi)的共享內(nèi)存區(qū)，然后向B核發(fā)送信號(hào)，B核收到信號(hào)后從該方向的共享內(nèi)存區(qū)將數(shù)據(jù)取出，并回復(fù)A核，完成一次數(shù)據(jù)通信。

　　通信協(xié)議和通信接口封裝是雙核通信應(yīng)該重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信，雙方可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，默認(rèn)雙方已經(jīng)知道數(shù)據(jù)的含義以及數(shù)據(jù)應(yīng)該放置的內(nèi)存地址。但是隨著系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，代碼量逐漸增加，無(wú)協(xié)議的數(shù)據(jù)通信給編程和理解都帶來(lái)很大問(wèn)題，降低系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能。在設(shè)計(jì)中雙核通信可以采用和系統(tǒng)外設(shè)相同的通信協(xié)議，例如串口通信使用的Modbus協(xié)議，這樣可以重復(fù)利用協(xié)議解析函數(shù)，同時(shí)也可提高可移植性。另外可根據(jù)實(shí)際需要自行定義適用的通信協(xié)議，或者將通用的通信協(xié)議做適當(dāng)?shù)男薷囊愿m應(yīng)共享內(nèi)存大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)通信。關(guān)于通信接口的軟件封裝通常定義數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、數(shù)據(jù)接收函數(shù)、協(xié)議解析函數(shù)等，原則是接口應(yīng)盡量精簡(jiǎn)，最大程度降低雙核間的耦合度。

　　3.雙核間的數(shù)據(jù)共享機(jī)制

　　雙核間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享主要有兩種策略，一種是將共享數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于共享內(nèi)存中，雙核均可對(duì)其進(jìn)行操作。該方法關(guān)鍵要解決對(duì)共享內(nèi)存互斥訪問(wèn)的問(wèn)題。關(guān)于雙口RAM互斥訪問(wèn)的方法大致有兩種：

　　1）硬件判優(yōu)，系統(tǒng)通過(guò)存儲(chǔ)器沖突仲裁單元向兩個(gè)內(nèi)核提供共享內(nèi)存訪問(wèn)沖突標(biāo)志，當(dāng)雙核同時(shí)對(duì)相同地址的RAM進(jìn)行存取時(shí)，仲裁單元促發(fā)相應(yīng)忙信號(hào)，設(shè)計(jì)中可利用該信號(hào)插入等待時(shí)間，避免訪問(wèn)沖突。

　　2）信號(hào)量機(jī)制，系統(tǒng)提供獨(dú)立于雙核的信號(hào)量管理單元。該方式又叫令牌判優(yōu)方式，每個(gè)令牌可對(duì)應(yīng)指定地址，指定長(zhǎng)度的共享內(nèi)存段。雙核按照協(xié)定的規(guī)則交替獲得令牌，進(jìn)而操作相應(yīng)的共享內(nèi)存段。當(dāng)雙核同時(shí)申請(qǐng)同一個(gè)令牌時(shí)，信號(hào)量管理單元裁定誰(shuí)先占用。設(shè)計(jì)中可通過(guò)在訪問(wèn)內(nèi)存前先申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的令牌實(shí)現(xiàn)雙核對(duì)共享內(nèi)存區(qū)的互斥訪問(wèn)。

　　另一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的策略是在雙核各自本地定義相同的數(shù)據(jù)作為共享數(shù)據(jù)，按照寫(xiě)后及時(shí)更新的原則，利用中斷方式通過(guò)雙核間的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。這種方法適用于共享數(shù)據(jù)滿足一定條件時(shí)，即該共享數(shù)據(jù)對(duì)于其中一個(gè)內(nèi)核是只讀的，否則，由于雙核獨(dú)立運(yùn)行，運(yùn)行進(jìn)度幾乎沒(méi)有制約，若出現(xiàn)雙核均改寫(xiě)共享數(shù)據(jù)的話，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的有效性。

　　4. 雙核任務(wù)分配

　　任務(wù)分配的原則在于充分利用雙核資源，最大限度縮小系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。例如在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域利用ARM+DSP雙核處理器構(gòu)架控制系統(tǒng)，在ARM核中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制，在DSP核中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制輸出，ARM核控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)命令的形式驅(qū)動(dòng)DSP核實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。另外在注塑機(jī)控制實(shí)例中，利用ARM核實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程控制，而在DSP端完成注塑機(jī)位置和溫度的智能控制算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化處理。