前言

隨著汽車ECU迅速的往域控制器方向發展，ECU要處理的任務越來越多，單核CPU的負載越來越大，多核ECU勢在必行。AUTOSAR架構下OS支持多核處理，本系列文章將詳細介紹AUTOSAR架構下的多核機制。本文介紹AUTOSAR架構下的多核通信。

問題 1： 什么是共享內存（Shared Memory），共享內存需要在鏈接文件中特別指定嗎？

問題 2：如果要指定共享內存，該怎么指定？

問題3： 用于多核通信的共享內存一定需要使用SpinLock進行一致性保護嗎？

問題4： 如何確保單核中的數據一致性？

參考文檔：

AUTOSAR架構下多核啟動

AUTOSAR架構下多核Shutdown

TC3xx芯片MPU介紹

MPU功能詳解-以RH850U2A為例

縮略詞

簡寫	全稱
IOC	Inter-OS-Application Communicator

注：本文章引用了一些第三方工具和文檔，若有侵權，請聯系作者刪除!

正文

1.多核通信介紹

使用多核的ECU避免不了需要考慮跨核通信，如下圖所示，跨核通信時使用RTE進行跨核通信時，AUTOSAR定義了標準的IOC通信，用戶只需要配置SWC的端口接口進行Mapping，IOC的具體實現由RTE/OS自動實現，不用用戶再做其他的操作。如果不使用RTE進行多核通信，沒有標準的接口可以使用，需要用戶自定義跨核通信，著重需要考慮跨核通信的共享內存及數據一致性保護。

Figure 1: 多核通信

2.多核間標準通信

多核間通信一定是跨OS-Application的通信（OS-Application不能跨核，所以兩個不同核上的SWC一定隸屬于不同的OS-Application），而“IOC”負責操作OS-Application之間的通信，特別是跨越核或內存保護邊界的通信。

2.1 什么是IOC

IOC全稱為Inter-OS-Application Communication，專門用于跨OS-Application的通信方式，特別的，跨越核或內存保護邊界的通信一般都使用IOC通信。

2.2 IOC的適用范圍

IOC的具體實現由RTE和OS實現，所以，IOC只適用于通過RTE交互的SWC間的跨OS-Application的通信，或通過RTE交互的SWC和BSW跨OS-Application通信，或者通過RTE交互的CDD和SWC或者CDD和CDD間的跨OS-Application通信。總之，不經過RTE的通信不適用IOC通信。

2.3 IOC的通信種類

IOC不支持Client-Server的通信，只支持Sender-Receiver的通信方式，SWC間的Client-Server通信在RTE/OS的具體實現中轉變為 Sender-Receiver的通信方式。也就是說對于SWC的開發者來說，不用做任何的更改，C-S的接口依然可以繼續使用。

從IOC的Senders和Receivers個數來分：IOC支持1:1, N:1, N:M的通信方式。

從是否帶Notification的角度來分：IOC分為帶Notification和不帶Notification的通信方式。

IOC通信支持隊列緩存（queue buffer）,1:1和N:1通信方式支持隊列，N:M通信方式不支持隊列，1:1的通信方式一般不使用隊列，N:1通信方式一般使用隊列。

2.3 IOC通信配置

兩個SWC如果使用IOC通信的話，接口配置和不使用IOC通信完全一樣。

配置Data Type

配置Interface

配置P-port和R-Port

進行P-port和R-port連接（Mapping）

不過，兩個SWC如果要使用IOC跨核（跨OS-Application）通信，這兩個SWC的Runnable所在的Task一定時歸屬于兩個核上的不同OS-Application,這樣進行Port連接后，RTE和OS會自動為兩個SWC生產IOC通信接口和具體實現。

2.4 IOC通信的共享內存和數據保護

IOC通信的具體實現由共享內存的方式實現，共享內存的跨核間數據一致性保護由Spin lock保證，共享內存的核內Task間的數據一致性保護由開/關全局中斷的方式保證。共享內存和數據一致性保護都由OS來自動生成和保證。

Note: 如果IOC通信間的數據長度小于等于4 Bytes，那么RTE/OS不會為其生成Spin lock和開關中斷的配置代碼，因為32bit的MCU的一次機器周期操作能完成4字節數據的操作，保證了數據的原子操作。

2.5 IOC通信需要注意的其他點

單核內如果存在多個OS-Application，且OS-Application間由內存保護的邊界（boundaries

），這種單核場景也適用IOC通信。

在只有一個Core的系統中，如果只有一個OS-Application，或者如果沒有OS-Application使用內存保護機制，那么IOC可以被完全省略。

帶Notification的IOC適用二類中斷ISR來通知Receivers數據已經到達shared buffer，能保證Receiver及時的取得數據。

2.6 IOC通信的示例

2.6.1 SWC間通過S-R方式1:1通信且沒有Notification

如圖2所示，Core 0上的SWC通過RTE接口給Core 1上的SWC發送數據。接收端的可運行實體被定期調用（調度表或者Alarm機制實現），并通過RTE接收數據。

由于通信跨越了核心邊界，RTE調用IOC將數據從Core0傳輸到Core1。

數據發送方調用

Rte_Send__ (..., )

Rte_Write_SWC_PortName(VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC) data) /* 2 */
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  rtn = ((VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC))RTE_E_OK);
  (void)IocWrite_Rte_Rx_000139(data);
  return rtn;
}

RTE將其mapped 到

IocSend_ ()

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocWrite_Rte_Rx_000139(const rt_Array_uint8_8 *value)
{ 
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(&Os_Ioc_Rte_Rx_000139, value, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

Figure 2: IOC without notification

在本例中，IocSend服務將數據寫入一個緩沖區，該緩沖區位于一個共享內存區中，接收方可以通過IOC讀取該數據。在接收端，接收可運行程序被定期調用。

Rte_Receive__ (..., )

Rte_Read_SWC_PortName(CONSTP2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA) data) 
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  (void)IocRead_Rte_Rx_000139(((P2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA))data));
  rtn = Rte_Rx_000139_status;
  return rtn;
}

RTE將其mapped 到

IocReceive_ ()

調用以從IOC內部隊列中讀取數據。1：1通信不需要RTE中的附加隊列。

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocRead_Rte_Rx_000138(rt_Array_uint8_8 *value) {
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(value, &Os_Ioc_Rte_Rx_000138, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

這種無通知的端口對端口通信適用于：

Sender/Receiver通信

隊列或者非隊列通信

1:1通信方式

2.6.2 SWC間通過C-S方式通信有Notification

當數據寫入IOC內部數據緩存后，Rte函數調用OS的服務來激活接收任務。這種通信方式適用于：

帶Notification的SWC間的Sender/receiver通信；

Client/server通信。

隊列或非隊列通信；

非polling模式的1:1通信；

N:1通信。

Figure2: IOC with notification by RTE

用長度為100的隊列方式實現。

Std_ReturnType IocReceive_Rte_Rx_000022(uint8* value)
{
  *value = Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[read_index];
  read_index = (read_index == 100)? 0 : (read_index + 1U);
  return E_OK;
}


Std_ReturnType IocSend_Rte_Rx_000022(uint8 value)
{
  If ((read_index == 0 && write_index == 100)|| (read_index-write_index==1)) {
  return IOC_E_FULL;
  } else {
  Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[write_index] = val;
  write_index = (write_index == 100)? 0 : (write_index + 1U);
  Os_SetEvent(EventID);
  }
}

3.多核間非標準通信

從第2章節得知:

IOC通信的的共享內存也就是OS定義的全局變量

對共享內存的數據一致性保護也就是通過Spin Lock和開關中斷來實現，

共享內存小于等于4 bytes，可以不使用Spin Lock和中斷保護

如果沒有開啟內存保護（MPU），共享內存可以分配在.default段（不用特別的去修改鏈接文件定義特殊的段），也就是任意可訪問RAM地址

只不過這些都由RTE和OS自動實現，對于用戶只要做好Port連接即可。

那么對于不經過RTE的多核通信，我們是否可以自己實現多核通信了？-- 肯定是可以的，下面我就列出一些多核通信的場景及應該考慮的地方。

序號	兩個跨核SWC所在OS-Application情況	通信數據長度	共享內存	數據一致性保護
1	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application都無內存保護機制	小于等于4 Bytes(32-bit MCU)	不用在鏈接文件特殊定義共享內存段，直接使用.default Data段	不用spin lock保護； 不用開關全局中斷保護
2	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application都無內存保護機制	大于4 Bytes(32-bit MCU)	不用在鏈接文件特殊定義共享內存段，直接使用.default Data段	需要spin lock保護； 如果該Shared buffer同一個核中不同Task間讀寫情況，就需要開關全局中斷保護。
3	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application有內存保護機制	小于等于4 Bytes(32-bit MCU)	需要在鏈接文件定義兩個OS-Application都能訪問的共享內存段	不用spin lock保護； 不用開關全局中斷保護
4	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application有內存保護機制	大于4 Bytes(32-bit MCU)	需要在鏈接文件定義兩個OS-Application都能訪問的共享內存段	需要spin lock保護； 如果該Shared buffer同一個核中不同Task間讀寫情況，就需要開關全局中斷保護。

關于MPU請參考：

TC3xx芯片MPU介紹

4.總結

問題 1： 什么是共享內存（Shared Memory），共享內存需要在鏈接文件中特別指定嗎？

答：兩個或多個OS-Application都能訪問的內存區域即為共享內存區域。如果沒有使能MPU內存保護機制，任意定義的全局變量即為共享內存變量。如果使能了MPU內存保護機制，就需要在鏈接文件中定義共享內存段，同時需要配置MPU保護段并分配給OS-Application。

問題 2：如果要指定共享內存，該怎么指定？

答：在鏈接文件中指定一塊內存區域，然后配置MPU設置其讀寫訪問屬性，需要多核通信的OS-Application應該包括該MPU配置即擁有對該共享內存的讀寫訪問權限。

問題3： 用于多核通信的共享內存一定需要使用Spin Lock進行一致性保護嗎？

答：不一定。當多核通信的數據小于等于4 Bytes(32-bit MCU)時CPU一個機器周期就能完成數據的讀寫，已經是原子操作，不用使用Spin lock進行數據一致性保護。

問題4： 如何確保單核中的數據一致性？

答：使用開關/掛起全局核內全局中斷。