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作者：Scott McNutt 高級(jí)軟件工程師 DesignLinx Hardware Solutions 公司 smcnutt@designlinxhs.com 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。過去，我們不得不做出艱難抉擇，即選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能還是我們鐘愛的 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)器域用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)域之間的通信。不過與 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——?jiǎng)討B(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)。不過請(qǐng)放心，Linux 開發(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)。可選的這些資源中包括 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 Linux 命令行或定制應(yīng)用進(jìn)行檢查。 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 定義包括用來設(shè)定隊(duì)列大小的字段，以及用來在處理器之間發(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，然后在開始執(zhí)行時(shí)使用隊(duì)列；剩下的都由核心來處理。 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，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)開發(fā)是個(gè)始終需要關(guān)注的問題，因?yàn)樗璧募寄芙M合可能無法立刻提供。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。核心源代碼樹包含嵌入式開發(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)程序沒有假定所交換消息的格式，因此嵌入式開發(fā)人員可將其用于多種 AMP 應(yīng)用，無需做任何修改。
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，無需對(duì)經(jīng)過檢驗(yàn)的架構(gòu)做太大改動(dòng)。 內(nèi)核不斷涌現(xiàn) 過去幾年中，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。 如需了解如何設(shè)計(jì) Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)的更多詳情，敬請(qǐng)聯(lián)系DesignLinx Hardware Solutions。 賽靈思聯(lián)盟計(jì)劃的高級(jí)成員 DesignLinx 專門從事 FPGA 設(shè)計(jì)與支持業(yè)務(wù)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、原理圖捕捉和電氣封裝/機(jī)械工程設(shè)計(jì)，以及信號(hào)完整性設(shè)計(jì)。 |
