1.引言

　　嵌入式技術(shù)的不斷成熟以及業(yè)界對工業(yè)設(shè)備小型化、個性化需求的不斷提高促使越來越多的工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。工業(yè)設(shè)備控制最大的特點是對系統(tǒng)實時性要求較高。而通常情況下，控制過程中常常同時存在多種不同實時性要求的任務(wù)，不同任務(wù)對處理器時間的占用比例也有較大差異，因此如何有效的滿足并提高系統(tǒng)實時性能成為研究的重點。

　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)單核處理器架構(gòu)是主流，除了通過提升處理器主頻來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還通過使用搶占式實時操作系統(tǒng)，引入多線程，改進系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度策略等軟件方法來進一步提高系統(tǒng)性能。但隨著應(yīng)用不斷復(fù)雜，控制精度要求不斷提高，有限的系統(tǒng)資源成為控制系統(tǒng)性能提升的最大瓶頸。

　　針對單CPU架構(gòu)的局限性，多處理器系統(tǒng)的研究應(yīng)用逐漸增多，文獻［1］采用FPGA 和多個DSP 互連的并行處理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一個高速數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低延遲且計算性能強大的實時圖像處理系統(tǒng)。文獻［2］提出了一種基于ARM的雙CPU協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。文獻［3］采用ARM+DSP的主從式雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了嵌入式運動控制器。文獻［4］分析比較了幾種典型的嵌入式雙核通信接口，并介紹了典型接口的設(shè)計要點。文獻［5］在單核嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出一種基于對稱通信的雙核處理器嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架，解決了異構(gòu)雙核處理器中的通信效率和共享內(nèi)存的利用問題。隨著雙核架構(gòu)應(yīng)用的不斷推廣，同時雙核微處理器技術(shù)逐漸成熟，如何設(shè)計穩(wěn)定高效的系統(tǒng)軟件架構(gòu)成為當前研究的重點。本文以 F28M35雙核系統(tǒng)為例，介紹了一種以IPC通信機制為核心，基于共享內(nèi)存的雙核軟件架構(gòu)方法。

　　2.雙核間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　完成雙核間的數(shù)據(jù)通信，除了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)——共享內(nèi)存外，還需要系統(tǒng)提供一套雙核間交互的信號機制。通常該信號機制中同時包括中斷信號和非中斷信號。利用該信號機制，結(jié)合共享內(nèi)存，可設(shè)計出各種靈活的通信方式。

　　從通信信號的角度，通信方式可分為輪詢方式和中斷方式。由于輪詢方式使內(nèi)核處于忙等的狀態(tài)，因此應(yīng)盡量避免使用，該方式多用于雙核之間事件需嚴格按照一定的順序執(zhí)行的情況，例如系統(tǒng)啟動時雙核之間的初始化交互。

　　從攜帶數(shù)據(jù)量的角度講，雙核之間可僅僅利用信號機制完成通信，雙方協(xié)定默認的操作；另外，也是大部分時候的通信方式，雙方通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，該方式在設(shè)計時，將共享內(nèi)存劃分為兩種屬性的內(nèi)存區(qū)，分別用于兩個方向的數(shù)據(jù)傳遞。一種內(nèi)存允許一個內(nèi)核進行讀寫操作，而允許另外一個內(nèi)核進行只讀操作，另一種則方向相反。例如，A內(nèi)核欲向B內(nèi)核發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)寫入A核空間內(nèi)的共享內(nèi)存區(qū)，然后向B核發(fā)送信號，B核收到信號后從該方向的共享內(nèi)存區(qū)將數(shù)據(jù)取出，并回復(fù)A核，完成一次數(shù)據(jù)通信。

　　通信協(xié)議和通信接口封裝是雙核通信應(yīng)該重點考慮的環(huán)節(jié)。簡單的數(shù)據(jù)通信，雙方可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，默認雙方已經(jīng)知道數(shù)據(jù)的含義以及數(shù)據(jù)應(yīng)該放置的內(nèi)存地址。但是隨著系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，代碼量逐漸增加，無協(xié)議的數(shù)據(jù)通信給編程和理解都帶來很大問題，降低系統(tǒng)的可擴展性能。在設(shè)計中雙核通信可以采用和系統(tǒng)外設(shè)相同的通信協(xié)議，例如串口通信使用的Modbus協(xié)議，這樣可以重復(fù)利用協(xié)議解析函數(shù)，同時也可提高可移植性。另外可根據(jù)實際需要自行定義適用的通信協(xié)議，或者將通用的通信協(xié)議做適當?shù)男薷囊愿m應(yīng)共享內(nèi)存大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)通信。關(guān)于通信接口的軟件封裝通常定義數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、數(shù)據(jù)接收函數(shù)、協(xié)議解析函數(shù)等，原則是接口應(yīng)盡量精簡，最大程度降低雙核間的耦合度。

　　3.雙核間的數(shù)據(jù)共享機制

　　雙核間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享主要有兩種策略，一種是將共享數(shù)據(jù)直接存儲于共享內(nèi)存中，雙核均可對其進行操作。該方法關(guān)鍵要解決對共享內(nèi)存互斥訪問的問題。關(guān)于雙口RAM互斥訪問的方法大致有兩種：

　　1）硬件判優(yōu)，系統(tǒng)通過存儲器沖突仲裁單元向兩個內(nèi)核提供共享內(nèi)存訪問沖突標志，當雙核同時對相同地址的RAM進行存取時，仲裁單元促發(fā)相應(yīng)忙信號，設(shè)計中可利用該信號插入等待時間，避免訪問沖突。

　　2）信號量機制，系統(tǒng)提供獨立于雙核的信號量管理單元。該方式又叫令牌判優(yōu)方式，每個令牌可對應(yīng)指定地址，指定長度的共享內(nèi)存段。雙核按照協(xié)定的規(guī)則交替獲得令牌，進而操作相應(yīng)的共享內(nèi)存段。當雙核同時申請同一個令牌時，信號量管理單元裁定誰先占用。設(shè)計中可通過在訪問內(nèi)存前先申請對應(yīng)的令牌實現(xiàn)雙核對共享內(nèi)存區(qū)的互斥訪問。

　　另一種實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的策略是在雙核各自本地定義相同的數(shù)據(jù)作為共享數(shù)據(jù)，按照寫后及時更新的原則，利用中斷方式通過雙核間的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。這種方法適用于共享數(shù)據(jù)滿足一定條件時，即該共享數(shù)據(jù)對于其中一個內(nèi)核是只讀的，否則，由于雙核獨立運行，運行進度幾乎沒有制約，若出現(xiàn)雙核均改寫共享數(shù)據(jù)的話，無法保證數(shù)據(jù)的有效性。

　　4. 雙核任務(wù)分配

　　任務(wù)分配的原則在于充分利用雙核資源，最大限度縮小系統(tǒng)響應(yīng)時間。例如在運動控制領(lǐng)域利用ARM+DSP雙核處理器構(gòu)架控制系統(tǒng)，在ARM核中實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制，在DSP核中實現(xiàn)運動控制輸出，ARM核控制運動過程，通過命令的形式驅(qū)動DSP核實現(xiàn)具體的運動動作。另外在注塑機控制實例中，利用ARM核實現(xiàn)注塑過程控制，而在DSP端完成注塑機位置和溫度的智能控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化處理。