摘要：多核異構(gòu)系統(tǒng)是指在一個(gè)芯片上集成多種不同類型的處理器核心，這些核心可能采用不同的指令集架構(gòu)（ISA），具備不同的性能特性和功耗要求。這些核心可以是高性能的通用處理器核心，也可以是專為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的專用核心，如圖形處理單元（GPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）等。

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在多核異構(gòu)系統(tǒng)中，通過合理的處理器核心、外設(shè)等資源劃分，同一顆 SoC 芯片就能夠獨(dú)立運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在滿足系統(tǒng)軟件功能和硬件外設(shè)的豐富性要求的同時(shí)，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

多核異構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 性能提升：通過結(jié)合不同類型的處理器核心，異構(gòu)多核系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各核心的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的大幅提升。例如，高性能核心可以處理復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，而專用核心則可以加速特定類型的數(shù)據(jù)處理。

• 能效優(yōu)化：異構(gòu)多核系統(tǒng)能夠根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整核心的使用，避免資源浪費(fèi)和不必要的功耗。對(duì)于計(jì)算密集型任務(wù)，可以使用高性能核心；而對(duì)于數(shù)據(jù)密集型任務(wù)，則可以利用專用核心進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)能效比的最大化。

• 靈活性：異構(gòu)多核系統(tǒng)能夠適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景，通過靈活的任務(wù)調(diào)度和核心分配，滿足不同任務(wù)的需求。這使得系統(tǒng)能夠同時(shí)處理多種類型的任務(wù)，提高整體計(jì)算效率。

• 并行處理：不同類型的核心可以并行工作，實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)別的并行處理。這種并行性可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體性能，縮短計(jì)算時(shí)間。

以配電終端產(chǎn)品為例，多核異構(gòu)系統(tǒng)處理器的A核負(fù)責(zé)通訊和顯示等人機(jī)交互任務(wù)，M核負(fù)責(zé)采樣和保護(hù)等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)，雙核間交互模擬量、開關(guān)量和錄波文件等多種信息，A核+M核的方案既滿足了傳統(tǒng)采樣保護(hù)功能，又支持多種接口通信及新增容器等功能，符合國家電網(wǎng)現(xiàn)行配電標(biāo)準(zhǔn)。

通信過程整體架構(gòu)說明

掃地機(jī)器人場(chǎng)景也適用多核異構(gòu)系統(tǒng)處理器。在掃地機(jī)器人中，既需要運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)，使用復(fù)雜外設(shè)，例如 WiFi 、Camera 、Audio 等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、地圖存儲(chǔ)、算法處理等功能。又需要運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單外設(shè)，例如 PWM 、SPI 、UART 、ADC 、GPIO 等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制、狀況檢測(cè)等功能。使用瑞芯微多核異構(gòu)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)平臺(tái)兩套系統(tǒng)合二為一，省去外掛的 MCU ，實(shí)現(xiàn)上述所有功能。并且，使用 SoC 內(nèi)部的這顆 MCU 作為實(shí)時(shí)處理器或協(xié)處理器，也能讓 Linux 系統(tǒng)獲得更完整的性能釋放。

在電力繼電保護(hù)裝置中，既對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有要求，例如對(duì)各種電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)分析、對(duì)保護(hù)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)等。又對(duì)系統(tǒng)的豐富性有要求，需要使用復(fù)雜的軟件功能和硬件外設(shè)，例如顯示設(shè)備、USB 設(shè)備、以太網(wǎng)設(shè)備等。使用瑞芯微多核異構(gòu)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)平臺(tái)兩套系統(tǒng)合二為一，一套板卡就能同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上述所有功能。并且，得益于 AP 的高性能特性，在用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)處理任務(wù)時(shí)，也能獲得運(yùn)行更高效、算力更強(qiáng)勁的使用體驗(yàn)。

硬件通信

在瑞芯微多核異構(gòu)系統(tǒng)中， AP + MCU 系統(tǒng)架構(gòu)為 Linux + MCU RTOS / Bare-metal 。運(yùn)行 Linux 的 AP處理器核心作為主核（ Master Core ）。運(yùn)行 RTOS / Bare-metal 的 MCU 處理器核心作為從核（ RemoteCore ）。主核負(fù)責(zé)整個(gè)多核異構(gòu)系統(tǒng)中共享資源的劃分和管理，并運(yùn)行主站服務(wù)程序。

RPMsg 協(xié)議方案

瑞芯微為多核異構(gòu)系統(tǒng)提供了 RPMsg 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)框架方案，Linux Kernel 適配 RPMsg，RTOS 和 Bare-metal 適配 RPMsg-Lite。它定義了 AMP 系統(tǒng)中核與核之間進(jìn)行通信時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制接口。

RPMsg 是在 VirtIo 上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)消息傳遞機(jī)制，VirtIo 是一種用來實(shí)現(xiàn)虛擬化 IO 的通用架構(gòu)，類似的虛擬網(wǎng)卡，虛擬磁盤等都是用這種技術(shù)。VritIo 中基于 VirtIo-Ring，通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收，vring 是單向的，一個(gè) vring 專用于發(fā)送數(shù)據(jù)到 Remote Core，另一個(gè) vring 用于從 Remote Core 接收數(shù)據(jù)。

通信流程

在 RPMsg 中，主-從核心通過中斷和共享內(nèi)存的方式進(jìn)行通信，內(nèi)存的管理由主核負(fù)責(zé)，在每個(gè)通信方向上都有 USED 和 AVAIL 兩個(gè)緩沖區(qū)，這兩個(gè)緩沖區(qū)可以按照 RPMsg 的消息格式分成一塊一塊，由這些內(nèi)存塊可以鏈接成一個(gè)環(huán)。

因此當(dāng)主核（Master Core）和從核（Reomte Core）進(jìn)行通信時(shí)：

1. Master Core 發(fā)送時(shí)，從 vring0(USED) 中取得一塊 buffer，再將消息按照 RPMsg 協(xié)議填充

2. 將處理好的內(nèi)存 buffer 鏈接到 ving1(AVAIL)

3. 觸發(fā)中斷通知 Remote Core 有數(shù)據(jù)處理待處理

類似的，當(dāng)從核需要和主核進(jìn)行通信時(shí)：

1. 從核根據(jù)隊(duì)列從 vring1(AVAIL) 中取得一塊 buffer，再將消息按照 RPMsg 協(xié)議填充

2. 將處理好的內(nèi)存 buffer 鏈接到 ving0(USED)

3. 觸發(fā)中斷通知 Master Core 有數(shù)據(jù)處理待處理

完成消息傳遞后，釋放使用的 buffer，并等待下一筆數(shù)據(jù)發(fā)送。從核發(fā)送時(shí)，與主核發(fā)送流程相反。通信過程中的共享數(shù)據(jù)放在 vdev buffer 中。RPMsg 每次發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度取決于 payload 長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度在SDK中默認(rèn)為 512 Bytes，由于 RPMsg還帶有16 Bytes的數(shù)據(jù)頭，因此一次性傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為 496 Bytes。

實(shí)際使用效果

通過程序?qū)崪y(cè)，主核和從核可以批量傳輸大數(shù)據(jù)。同樣以配電產(chǎn)品為例——128點(diǎn)采樣的錄波文件大約為43K，若通過傳統(tǒng)的串行總線傳輸方式，需要數(shù)秒才可完成傳輸。

而使用瑞芯微的雙核異構(gòu)通信方案，只需要不到0.5秒即可傳輸完成，數(shù)據(jù)傳輸效率提升數(shù)十倍！同時(shí)還避免了串行總線易受EMC干擾的問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了應(yīng)用編程，可滿足用戶快速開發(fā)的需求。

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