摘要

本文介紹瑞薩RZ/G2L MPU的多核異構(gòu)設(shè)計(jì)及通信方案。

背景

在當(dāng)今的工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用中，系統(tǒng)需求日益增長(zhǎng)，不僅要求執(zhí)行復(fù)雜的控制任務(wù)，還需要實(shí)時(shí)地采集和處理數(shù)據(jù)。為了滿足這些需求，多核異構(gòu)處理器成為了一種流行的解決方案。這類處理器通常結(jié)合了ARM架構(gòu)的A系列核心（用于處理高級(jí)計(jì)算任務(wù)）以及M系列或R系列核心（專注于實(shí)時(shí)操作）。在這種架構(gòu)下，復(fù)雜的控制任務(wù)可以由搭載Linux的A核心處理，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和處理則可以交由運(yùn)行RTOS或bare-metal的M核或R核來(lái)完成。

與傳統(tǒng)的單核MPU和單核MCU的多芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，多核異構(gòu)處理器展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，兩顆芯片之間需要通過(guò)外部接口交換大量數(shù)據(jù)，這不僅占用了寶貴的引腳資源，而且數(shù)據(jù)傳輸效率低下。相反，集成了A核和M核或R核的多核異構(gòu)處理器利用內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了快速通信，并共享內(nèi)部資源，從而避免了對(duì)外部引腳的占用。這種多核異構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅降低了通信過(guò)程中的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，還減少了芯片采購(gòu)和管理成本，縮減了PCB板的成本和尺寸，并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。

RZ/G2L產(chǎn)品介紹

配備雙核Arm Cortex-A55 (1.2 GHz) CPU和單核Arm Cortex-M33 (200 MHz) CPU、3D圖形加速引擎和視頻編碼解碼引擎器的通用微處理器。

G2L框圖

異構(gòu)通信機(jī)制OPENAMP

Open Asymmetric Multi-Processing

在RZ/G2L系列的MPU中，我們可以看到多核異構(gòu)架構(gòu)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。這款MPU擁有一個(gè)大核Cortex-A55，頻率高達(dá)1.2GHz，能夠運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，以及一個(gè)小核Cortex-M33，頻率為200MHz，專門(mén)用于運(yùn)行RTOS或裸機(jī)(bare-metal)程序。這兩個(gè)核心之間的異構(gòu)通信是通過(guò)OpenAMP軟件框架實(shí)現(xiàn)的。

OpenAMP是一個(gè)輕量級(jí)的通信協(xié)議，它使得不同的處理器能夠通過(guò)共享內(nèi)存或消息傳遞機(jī)制來(lái)進(jìn)行交流。在一個(gè)多核處理系統(tǒng)中，各個(gè)處理器可能會(huì)運(yùn)行不同的軟件模塊，而OpenAMP框架則為這些模塊之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作提供了一種有效的手段。通過(guò)這種方式，OpenAMP不僅簡(jiǎn)化了多處理器間的通信，還增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同效率和功能性。見(jiàn)圖1。

圖1

Virtio

虛擬化模塊

Virtio是一個(gè)共享內(nèi)存管理的虛擬設(shè)備框架，Virtio中的vring是指向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針的FIFO隊(duì)列，有兩個(gè)單向的vring，一個(gè)vring專用于發(fā)送到遠(yuǎn)程處理器的消息，另一個(gè)vring用于從遠(yuǎn)程處理器接收的消息， 數(shù)據(jù)就存放于共享的內(nèi)存中，即Vring buffers， 一半用于發(fā)送，一半用于接收。

RPMsg

遠(yuǎn)程處理器消息傳遞

RPMsg框架位于Virtio的上層，RPMsg（Remote Processor Messaging）框架是一種基于Virtio的消息總線。見(jiàn)圖2。

圖2

Remoteproc

主處理器上的Linux操作系統(tǒng)可以對(duì)遠(yuǎn)程處理器及其相關(guān)軟件環(huán)境進(jìn)行生命周期管理，即啟動(dòng)或關(guān)閉遠(yuǎn)程處理器。見(jiàn)圖3。

圖3

IPCC處理器間通信控制器

MHU（Message Handling Unit）是MPU芯片內(nèi)的一個(gè)IP模塊，擔(dān)任IPCC角色，用于Cortex-A55（CA55）之間或與Cortex-M33（CM33）之間的消息通信。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)通道由一對(duì)數(shù)據(jù)傳輸處理寄存器和響應(yīng)傳輸處理寄存器組成，共掛載12個(gè)通道（CA55 Core0/Core1 CM33，安全和非安全區(qū)域）。見(jiàn)圖4。

圖4

以上介紹了RZ/G2L雙核異構(gòu)的通信方式，同時(shí)RZ/G2L產(chǎn)品也提供相應(yīng)的軟件支持。

Multi-os (CA55 Linux + CM33 RTOS)

客戶可以使用靈活的軟件包（FSP）快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，使用OpenAMP創(chuàng)建與Linux配合使用的應(yīng)用程序。見(jiàn)圖5。

圖5

Cortex-M33開(kāi)發(fā)環(huán)境

圖6

相應(yīng)硬件板及軟件工具可以通過(guò)瑞薩官網(wǎng)獲得。

JTAG在線調(diào)試

當(dāng)連接JTAG時(shí)，必須如下設(shè)置DIP SW1。見(jiàn)圖7。

圖7

CORTEX-M33啟動(dòng)方式

● CM33由CA55加載啟動(dòng)

● 引導(dǎo)過(guò)程中有多個(gè)時(shí)間點(diǎn)可以執(zhí)行此操作：

● Arm Trusted Firmware

啟動(dòng)CM33的最快方法

允許將代碼加載到安全RAM中

● u-boot -> Multi OS SW package默認(rèn)方式

CM33 固件容易更新

二進(jìn)制文件存儲(chǔ)在u-boot可以訪問(wèn)的文件系統(tǒng)中

● Linux (remoteproc)

最方便維護(hù)，軟件升級(jí)改動(dòng)少

共享資源

資源共享時(shí)，請(qǐng)注意如下分配

● 引腳復(fù)用

● 內(nèi)存分配

● 外設(shè)分配

以上介紹了RZ/G2L MPU的多核異構(gòu)設(shè)計(jì)及通信方案，目前RZ/G系列都采用ARM A核和M核或R核的多核異構(gòu)設(shè)計(jì)，更多產(chǎn)品信息您可訪問(wèn)瑞薩官網(wǎng)。