最精巧的双核MCU：LPC5411x

NXP管管

多核的微控制器(MCU)向来是设计上的一大挑战，尤其是多核异构的设计。恩智浦半导体早在2011年年底，就率先推出了基于Cortex-M4F和Cortex-M0的双核MCU——LPC43xx/43Sxx系列， 主频高达204MHz。凭借其超强的处理性能，很快受到业界的好评。四年之后，MCU双核精简版本LPC5411x系列，在广大LPC发烧友的期待中，终于露出了一代天骄的本色。

双核MCU：LPC5411x

这款LPC5411x系列MCU集成了Cortex-M4F和Cortex-M0+双内核，主频高达100MHz 。因为Cortex-M4F内核采用Harvard架构，3级流水线，支持SIMD，支持单精度浮点运算，单个时钟周期就能完成一条乘累加(MAC)指令，所以其处理性能强悍，一般用于处理复杂的计算或算法。而Cortex-M0+内核结构简单，只有2级流水线，能效高，一般用于实时控制、外设管理、数据通信等任务。

在LPC5411x产品中Cortex-M4F是主核，而Cortex-M0+是从核。从核的主要任务是协助主核处理非计算性的杂务，充分解放主核的运算能力，这样可以达到整个系统的最优性能。

为了实现整体性能最优，LPC5411x采用了多层AHB矩阵式总线架构，以及多个RAM分块。下图是LPC5411x的内部功能框图，可以看到内部的AHB矩阵式总线架构，Cortex-M4F和M0+都是总线上的master，可以访问所有的片上资源。总线访问的优先级可以通过寄存器设定。

Cortex-M4F核在AHB总线上有3个接口：I-code, D-code和System总线。而Cortex-M0+只有一个System总线接口。不同的RAM块可以被不同的AHB master同时访问。

双核MCU的存储区分配

I-code总线用于从CODE内存分区取指令, 地址范围是：0x0000-0000~0x1FFF-FFFF。D-code总线用于从CODE内存分区取操作数，地址范围是：0x0000-0000~0x1FFF-FFFF。

当以上两条总线同时访问同一内存单元时，D-code总线访问优先级比I-code高，所以D-code先访问。对地址范围从0x2000-0000~0xDFFF-FFFF的访问是通过System总线进行的，可用于访问操作数、指令等，数据访问的优先级高于取指令及中断向量。


各个存储区所在的地址区域如下表：

为优化系统整体处理能力，需要让这两个CPU内核同时以最快速度执行各自指令， 比如Cortex-M4F上能执行单周期的的MAC指令，同时Cortex-M0+上能执行单周期的32位乘法。

因此，存储区的合理分配策略是，Flash和RAMX以及SRAM0需要分配给Cortex-M4F内核，分别用于存放指令代码和操作数(见上图红/黄框部分)。而SRAM1/SRAM2这两块需要分给Cortex-M0+(见上图绿色框部分)。 需要注意的是，只要其中一个RAM块分配给某个CPU核，这个RAM块就不能分配给另一个CPU核， 否则这两个CPU核同时访问同一块区域时，就会出现总线争用，而导致另一个CPU核访问出现等待周期，从而降低整个系统处理效率。

双核运行的功耗如何？

在回答这个问题之前，让我们看一下其实测的CoreMark动态功耗图吧：

以代码放在Flash中运行并且主频为48MHz为例，Cortex-M4F动态功耗大约为96uA/MHz，而Cortex-M0+为75uA/MHz。两者之和为171uA/MHz，也就是说双核同时运行时的功耗为8.2mA。这个功耗比许多其他厂家的单Cortex-M4F核的MCU还低，但性能要强很多。


当然如果你比较关心功耗，可以根据应用实际情况让一个CPU内核进入低功耗模式，另一个CPU内核工作，等到一定条件时再唤醒另一个核。

双核之间怎么通信？

下面这张图说明了俩核之间的通信机制。

当一个CPU内核准备好数据之后，通过互锁信号放在共享RAM中，再通过邮箱机制产生中断事件，通知另一个CPU内核来处理。另一个CPU内核处理完数据后，清理相应的中断标志。通过这种方式可以实现实时性很强的双核通信和数据交换。也可以不用互锁信号和共享RAM，直接通过邮箱机制传递最多32位的数据。


另外一种简单的方法叫作消息队列机制：直接在共享RAM中创建循环缓冲器用于消息队列。当一个CPU内核准备好数据之后，就把数据发送到这个队列最后面(队尾)，而另一CPU内核每次从这个队列的最前面取数据。对每个队列的访问是单向的，即一个CPU核只能写，而另一个CPU内核只能读。要实现双向，必须创建至少两个队列。 这种方法可以不用互锁信号，但可以使用中断机制通知另一个CPU核，以便实现实时通信和数据交换。

双核的开发很难吗？

针对双核以及多核体系架构，恩智浦提供了多核SDK开发库(称为MCSDK)， 以及丰富的例程，包含在相应多核平台的MCUXpresso SDK 开发包中。 下图显示了MCSDK的架构：

eRPC即嵌入式远程过程调用(Embedded Remote Procedure Call)，是一套实现调用另一核上远程服务的透明函数调用接口。MCMGR即多核管理器(Multicore Manager)，是包含所有CPU内核信息及启动从核的函数调用接口。RPMsg-Lite即远程处理器消息机制精简版(Remote Processor Messaging – Lite)，包含了所有处理器间通信的函数库。


这套库支持市面上所有主流ARM Cortex-M软件开发工具，包括IAR、KEIL、GCC，以及MCUXpresso IDE。


有了这套多核SDK开发库，用户可以不用关心硬件底层的通信机制，直接使用相应的例程和调用接口，几分钟内便可以实现双核间的通信和数据交换代码。


下面这个例子说明如何使用RPMsg-Lite，从一个CPU内核发送数据到另一内核:


rpmsg_lite_send(my_rpmsg, my_ept, REMOTE_EPT_ADDR, (char *)&msg, sizeof(msg), …);


其中my_rpmsg是rpmsg_lite_remote_init()或rpmsg_lite_master_init()调用所创建的RPMsg实例；如果是主CPU内核，就用rpmsg_lite_master_init()初始化， 否则就是远程CPU内核，用rpmsg_lite_remote_init()初始化


my_ept是此消息管道的端点，由rpmsg_lite_create_ept()调用创建的：


my_ept = rpmsg_lite_create_ept(my_rpmsg, LOCAL_EPT_ADDR, …);


msg是真正要交换的消息。


REMOTE_EPT_ADDR，LOCAL_EPT_ADDR分别是此消息管道的远程端点和本地端点的逻辑地址。

怎么调试双核应用程序？

在回答这个问题之前，先看一下硬件调试接口图：

上图说明，LPC5411x 系列支持对双核同时调试 ，就像调试单个CPU内核程序一样简单。

以上小编对LPC5411x的双核特性作了描述，可以简单概括为：


超强的处理性能


较低的动态功耗


简单的通讯机制


强大的开发工具



作者:William             文章出处：恩智浦MCU加油站

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