LPC5500“核心”技术——双核介绍

NXP管管

作者：宁能


相信最近各位小伙伴，一定被我们的新品LPC5500铺天盖地的“硬核”技术震撼，特别是在涉及安全加密方面。

这次小编奉上与LPC5500“核心”相关的“硬核”技术——双核，以飨读者。

诚然，MCU双核已不是什么新鲜玩意儿。之前，我们的LPC4300和LPC54110系列都支持双核。但是，LPC5500博采了这两个系列所长，使得双核更简单实用。

不管是双核小白还是高手，都可以通过本篇对LPC5500双核获得基本全面的了解，我们其他官方渠道也提供了大量的有关双核应用的资料，比如大量SDK例程和应用笔记，有需要可以进一步研究应用双核到产品中，大力提升产品性价比。

篇幅所限，就不走过堂地介绍LPC5500了。咱们直奔主题。


-———————————— LPC5500双核基本架构 -————————————

双核并不高深，所谓双核就是两个CPU——中央处理单元，也就是一个MCU芯片内置了两个CPU。

和之前支持双核的LPC系列一样，针对于MCU嵌入式应用，LPC5500依然采用简单的非对称架构，即一个主CPU，一个从CPU，这类似于有些产品采用主MCU和从MCU的设计。只是支持双核的MCU，是共享此MCU所有的存储器和外设接口资源。

共享就带来竞争的问题，处理不当则影响性能。LPC5500有配套的系统架构来使得此共享可转化为并行的，从而尽量避免竞争，来保证性能不被影响。

应对竞争的架构上的考虑主要有两条：一是内部AHB总线是多层矩阵架构；二是分离出多块独立的SRAM。如下图：


图中，红色框是多层AHB矩阵总线，绿色框是多块分立的存储块，主CPU和从CPU的代码数据可存放在不同存储块中，它们和图中左下角大量外设接口并行的挂在矩阵总线上。

这样，蓝色框中的双核CPU0和CPU1，可以同时并行地对存储块和外设接口进行访问，即程序可以同时运行。如此，则双核的威力能够得以充分的发挥。

至此，我们初步认识了LPC5500双核，了解了其基本框架。但是，这好比我们只是远远的看见了一个人，大概知道其身形，他具体容貌怎样的呢…


-———————————— LPC5500双核面貌特征 -————————————

上面提到，LPC5500双核分为主从，主CPU命名为CPU0，从CPU命名为CPU1。它们都是基于ARM Cortex-M33的。
它们的基本配置构成如下：
◆ CPU0 (r0p3版):
-频率最高可达100MHz
-TrustZone、DSP、浮点单元和存储保护单元(MPU)
-内置嵌套向量中断控制器(NVIC)
-串行线调试接口(SWD)
-系统嘀嗒定时器(System tick timer)
◆ CPU1 (r0p3版):
-频率最高可达100 MHz
-内置嵌套向量中断控制器(NVIC)
-串行线调试接口(SWD)
-系统嘀嗒定时器(System tick timer)

显然，作为从的CPU1比主CPU0少了TrustZone、浮点单元(FPU)等，这使得主CPU0天然地计算处理能力更强。
但是赋予主CPU0这些亮点，不是让它做颜值担当，而是任务担当的。这让我们自然想到双核的典型应用——相信这也是大家很关心的。


-———————————— LPC5500双核典型应用 -————————————

LPC5500的双核典型应用，即基本应用思路，与之前LPC4300和LPC54110一样。
主CPU用来做处理计算任务（比如算法），从CPU负责外设实时控制和数据传输。
这样，能充分利用双核达到更好性能。参见下图：


哦，LPC5500双核很“酷”的样子，有点“喜欢”上它了，，，可是，相爱容易相处难啊？！
不要担心，难，那是因为不懂得如何“相处”。
接下来，让我们来聊聊如何和LPC5500双核“相处”——双核的实现，这主要涉及到以下内容：双核启动；双核通讯；双核调试。


-———————————— 双核启动 ————————————

对于单核MCU，上电启动过程简单明了，如单身狗的生活简单自由，该干啥干啥，不能指望也无需考虑他人。

两人世界就需要协商着行动了，LPC5500采取了和最早LPC4300系列类似的双核启动机制，即出厂默认并固定一个核为主，另一个为从，不能更改，“专制”却简单易用。

随后的LPC54110系列则实行“民主”机制，两个核可以轮流坐庄，即用户可以在启动过程中选择其中之一为主核，这样提供了灵活性，但略微复杂。
为了简单起见，如今新的LPC5500双核使用固定的主从模式。

LPC5500上电时，自然地按照主从，主核CPU0如单核一样直接启动，从核CPU1则hold住不动——这由硬件自动完成。

主核启动后负责初始化运行环境，然后配置好从核的启动地址（即从核代码映像运行的起始地址），最后释放从核CPU1——这些由软件完成。这时，主从双核就分别如同单核一样同时运行它们各自的代码了。

要让双核“和谐”运作，关键是要让两个核的代码映像存储和运行空间独立互不干扰（参见前面关于多层总线矩阵和多块存储块的介绍），这点具体实现方法是灵活的，比单核来得复杂些。这里就不具体展开，有需要的可找相关资料学习，比如，我们有篇应用笔记通过测试双核coremark分数，提供了一种达到最好性能的实现方法。不关心这些细节也不用担心，NXP已经提供了相关SDK库可直接借用。


-———————————— 双核通讯 -————————————

当两个核都运行起来后，它们可以像两个不同行业的人，各自做着自己的本职工作，默默为社会贡献自己的力量，老死不相往来。但大多数应用中，两个核除了各司其职，还需要互相通讯，协同工作。

LPC5500提供了一套简单的硬件通讯机制，叫内部CPU邮箱通讯机制，可以适用于大多数嵌入式系统双核的通讯应用。

这套机制从LPC54110系列继承而来，最早的LPC4300系列双核通讯几乎完全靠软件来实现，占用资源，且给使用带来不少难度。目前这套机制，简单易用，但不死板，留给用户一定灵活发挥空间。

它主要提供了两种寄存器，一种是32位的CPU中断寄存器，两个CPU都能访问它，32位中只要有一位不为零，就能产生中断请求，且每一位可代表一个不同状况，比如事件或者状态，这完全可由用户自己定义。

这样CPU间就可相互实时通讯了，比如一个CPU完成某项任务，写入一个非0值到此寄存器，发出中断信号，另一CPU中断后读取此值，来决定后续工作。

通讯的一大需求就是同步，这就需要另一个叫做互斥寄存器的来完成，它只有第0位(bit0)可用，复位后默认值为1。当读此寄存器时，读出数值的同时这位自动被清0；当写它时，这位将再次被置为1。

此正是互斥量的特性，以用于实现CPU间对任何共享资源的握手同步。例如，当一个CPU要访问某共享资源时，先读此寄存器，若读到的是1，表示资源可用，同时1被自动清为0；若读到0，则表示资源被占用；在CPU用完共享资源时，即写此寄存器，使其置1，表示释放了资源为可用。
这套邮箱机制简单框架图如下：


顺便提下，我们在LPC5500 SDK包中还提供了一套开源多核软件开发包，包括库和大量例程。通过库的API提供了支持用户实现复杂的多核通讯机制。
这套多核SDK的库代码包含在LPC5500SDK包以下路径：
<SDK installationdirectory>\middleware\multicore
例程则在：
<SDK installationdirectory>\boards\lpcxpresso55s69\multicore_examples


-———————————— 双核调试 -————————————

LPC5500的双核都支持SWD调试模式，就调试的级别来说，它们是”平等”的。
实际实现时，每个核一般有自己的工程，它们各自的调试和单核无异。
但在两个核有关联时（即前面提到的双核启动和双核通讯过程），调试要有所注意，关键就是要真正理解了这两个过程机制，依据这两个机制的特点进行调试，则基本没什么问题。
比如，启动时，是先调试主核，等它释放了从核，从核才能调试。具体的操作，有篇应用笔记，专门很详细地介绍了如何在MCUXpresso下调试LPC5500双核。

LPC5500的双核特点你Get到了吗？如想了解更多内容，请访问恩智浦官网：
http://www.nxp.com/lpc5500



文章出处：恩智浦MCU加油站

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stm1024

很有意思~~

jobszheng5

LPC55系统的双核操作在看完此篇文章后就显得简单了。
谢谢管管的分享了