從通信、采樣傳感器到執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 推斷，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 邊緣設(shè)備開發(fā)人員需要將越來(lái)越多樣化的處理密集型功能整合到設(shè)計(jì)中。同時(shí)，開發(fā)人員還需要保持或降低功耗。因而，開發(fā)人員所需要的是在設(shè)計(jì)的核心元件（即微控制器）上采用更加靈活的架構(gòu)方法，以便增加功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能、功能和功耗之間的最佳平衡。

這種架構(gòu)方法就是多核微控制器。顧名思義，這些微控制器在單個(gè)封裝中集成了多個(gè)處理內(nèi)核。不過(guò)，僅僅使用多個(gè)內(nèi)核是解決不了問(wèn)題的。開發(fā)人員需要了解對(duì)稱和非對(duì)稱多核處理器之間的差別、如何進(jìn)行功能劃分，以及如何對(duì)這些內(nèi)核進(jìn)行有效編程。

本文將先介紹多核微控制器的概念，然后再討論開發(fā)人員如何充分利用多核微控制器來(lái)平衡性能和能量限制。本文將以 STMicroelectronics 的 STM32H7 系列中的幾款多核微控制器為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。此外，本文還將探討開發(fā)人員如何充分利用多核處理及借以分擔(dān)工作負(fù)載的若干用例。

多核微控制器簡(jiǎn)介

如上所述，多核微控制器擁有多個(gè)處理內(nèi)核，采用兩種常用的配置：對(duì)稱和非對(duì)稱處理。對(duì)稱內(nèi)核配置包含兩個(gè)或多個(gè)完全相同的處理內(nèi)核。例如，這些內(nèi)核可能都是 Arm? Cortex?-M4 處理器。另一方面，非對(duì)稱內(nèi)核可能包含 Arm Cortex-M7 處理器和 Arm Cortex-M4 處理器，也可能包含 Arm Cortex-M4 和 Arm Cortex-M0+ 處理器。這類組合的示例有很多，具體取決于應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求。

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員對(duì)多核微控制器非常感興趣，因?yàn)榇祟惪刂破魇归_發(fā)人員能夠?qū)?yīng)用分成多個(gè)執(zhí)行域。通過(guò)劃分執(zhí)行域，能夠精確控制應(yīng)用的性能、功能和功率需求。例如，一個(gè)內(nèi)核可用于通過(guò)高分辨率顯示屏和觸摸面板的用戶交互，而第二個(gè)內(nèi)核則用于管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，例如控制電機(jī)、繼電器和采樣傳感器。

開發(fā)人員可通過(guò)多種方式來(lái)劃分應(yīng)用，其中兩大范式是將應(yīng)用分成：

• 各種功能/實(shí)時(shí)處理

• 實(shí)時(shí)/安全

在第一種范式（各種功能/實(shí)時(shí)處理）中，系統(tǒng)與上文所述完全一樣。顯示屏、機(jī)器學(xué)習(xí)推斷、音頻播放和存儲(chǔ)器等實(shí)現(xiàn)各種功能的應(yīng)用元器件都由一個(gè)內(nèi)核進(jìn)行處理。然后，第二個(gè)內(nèi)核用于處理實(shí)時(shí)功能，例如電機(jī)控制、感測(cè)和通訊棧（圖 1）。

圖 1：一種使用多核微控制器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)的范式是，將實(shí)現(xiàn)各種功能的應(yīng)用元器件置于一個(gè)內(nèi)核中，并將實(shí)時(shí)處理元器件置于第二個(gè)內(nèi)核中。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

第二種范式是將應(yīng)用分成實(shí)時(shí)和安全功能。在第一個(gè)內(nèi)核中，應(yīng)用可處理顯示、存儲(chǔ)器訪問(wèn)和實(shí)時(shí)音頻播放等功能。另一方面，第二個(gè)內(nèi)核則只作為安全處理器。因此，第二個(gè)內(nèi)核將處理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)密鑰等關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)還處理加密、安全引導(dǎo)程序以及屬于安全軟件類別的任何其他功能（圖 2）。

圖 2：另一種使用多核微控制器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)的范式是，將實(shí)時(shí)應(yīng)用元器件置于一個(gè)內(nèi)核中，并將所有安全元器件置于第二個(gè)內(nèi)核中。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

除此之外，還可通過(guò)一些其他方式來(lái)分解多核微控制器的應(yīng)用空間，但這兩種范式似乎最受物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員青睞。

選擇多核微控制器開發(fā)板

雖然多核微控制器越來(lái)越受青睞，但仍算不上主流控制器，因而器件選型可能比較棘手。如果開發(fā)人員想要使用多核微控制器，那么最好選擇具有下列特性的開發(fā)板：

• 包括用于各種功能應(yīng)用探索的 LCD

• 擴(kuò)展 I/O

• 低成本

• 由久經(jīng)驗(yàn)證的生態(tài)系統(tǒng)提供支持，包括示例代碼、社區(qū)論壇，并可接觸到知識(shí)豐富的 FAE

讓我們來(lái)看看 STMicroelectronics 推出的幾款產(chǎn)品示例，首先從 STM32H745I-DISCO 開始（圖 3）。該開發(fā)板基于 STM32H745ZIT6 雙內(nèi)核微控制器，包含一個(gè)運(yùn)行頻率為 480 MHz 的 Arm Cortex-M7 內(nèi)核和第二個(gè)運(yùn)行頻率為 240 MHz 的 Arm Cortex-M4 處理器。該器件具有雙精度浮點(diǎn)單元和 L1 緩存——16 KB 數(shù)據(jù)緩存和 16 KB 指令緩存。這款 Discovery 板相當(dāng)值得關(guān)注，因?yàn)樗性S多附加功能，例如：

• SAI 音頻編解碼器

• 微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)

• 板載四通道 SPI 閃存

• 4 GB eMMC

• 子板擴(kuò)展

• 以太網(wǎng)

• 用于音頻和耳機(jī)的針座

該開發(fā)板具有許多內(nèi)置功能，因而非常容易著手嘗試使用多核微控制器，并切實(shí)提高應(yīng)用性能。

圖 3：STM32H745I-DISCO 板集成了各種板載傳感器和存儲(chǔ)器功能，使開發(fā)人員能夠測(cè)試運(yùn)行頻率分別為 480 MHz 和 240 MHz 的雙核微控制器。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

如果開發(fā)人員希望開發(fā)板具有附加功能和更多擴(kuò)展 I/O，val/497-19506-ND/10244390">STM32H757I-eval 可能正是理想之選（圖 4）。STM32H757I-eval 包括許多評(píng)估板所不具備的功能，例如：

• 8 M x 32 位 SRAM

• 1 Gb 四通道 SPI NOR 雙閃存

• 用于指令跟蹤的嵌入式跟蹤宏單元 (ETM)

• 電位計(jì)

• LED

• 按鈕（撥動(dòng)、操縱桿、喚醒）

這些附加功能，尤其是 I/O 擴(kuò)展，對(duì)剛剛?cè)腴T的開發(fā)人員非常有用。

圖 4：STM32H757I-eval 板為開發(fā)人員提供了許多擴(kuò)展空間，便于訪問(wèn)外設(shè)，并帶有 LCD 屏幕，以便開始著手多核應(yīng)用。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

介紹了幾款開發(fā)板后，接下來(lái)將簡(jiǎn)單提出一些建議，幫助大家開始著手多核微控制器應(yīng)用。

首個(gè)多核應(yīng)用如何著手

無(wú)論選擇兩款 STM32H7 開發(fā)板中的哪一款，開始著手時(shí)都需要兩個(gè)主要工具。第一個(gè)工具是 STMicroelectronics 的 STM32CubeIDE，這款免費(fèi)集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 使開發(fā)人員可以編譯自己的應(yīng)用代碼，并將其部署到開發(fā)板。此外，STM32CubeIDE 還提供對(duì)應(yīng)用進(jìn)行單步調(diào)試所需的資源，適用于 Windows、Linux 和 MacOS 等主要操作系統(tǒng)。

第二個(gè)工具是 STMicroelectronics 的 STM32H7 固件包。其中包括適用于 STM32H7 開發(fā)板的下列示例：

• 多核處理

• 使用 FreeRTOS

• 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序

• FatFS（文件系統(tǒng)）

開發(fā)人員會(huì)想要下載固件應(yīng)用包，并熟悉所選開發(fā)板支持的示例。不過(guò)，開發(fā)人員需要特別注意兩個(gè)文件夾。第一個(gè)是包含兩個(gè)示例以顯示如何使用 OpenAMP 的應(yīng)用文件夾（圖 5）。這些示例顯示如何在微控制器內(nèi)核之間來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)，即一個(gè)內(nèi)核向另一個(gè)內(nèi)核發(fā)送數(shù)據(jù)，后者再將數(shù)據(jù)回傳。兩個(gè)示例以不同的方式執(zhí)行此操作。一個(gè)是不帶操作系統(tǒng)的 Bare metal，而另一個(gè)使用 FreeRTOS。

圖 5：STM32Cube_FW_H7 提供多個(gè)示例，演示了如何開始著手使用 OpenAMP 的多核處理。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）

第二組示例分別演示了如何配置帶和不帶 RTOS 的內(nèi)核（圖 6）。一個(gè)示例顯示如何在各內(nèi)核上運(yùn)行 FreeRTOS；而另一個(gè)示例顯示如何在一個(gè)內(nèi)核上使用 RTOS，并在第二個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行 Bare metal。固件包中還有幾個(gè)其他示例可用于演示其他功能。不過(guò)，上述示例是入門學(xué)習(xí)的不錯(cuò)選擇。

圖 6：STM32Cube_FW_H7 提供多個(gè)示例，演示了如何配置使用多核處理器的操作系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）

加載示例項(xiàng)目后，開發(fā)人員會(huì)看到類似于圖 7 所示的項(xiàng)目布局。如圖所示，項(xiàng)目按內(nèi)核劃分了應(yīng)用代碼。另外，還可以設(shè)置構(gòu)件配置，使開發(fā)人員一次只能使用一個(gè)內(nèi)核，請(qǐng)參見圖 7 中的灰顯文件。

圖 7：OpenAMP Ping-Pong 項(xiàng)目示例向開發(fā)人員演示了如何在兩個(gè) CPU 內(nèi)核之間創(chuàng)建通信通道。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）

本文中不包含示例代碼的完整描述，但讀者可以查閱所有示例項(xiàng)目的相關(guān) readme.txt 文件，以獲得示例代碼如何工作的詳細(xì)描述，然后查看源代碼以了解如何實(shí)際執(zhí)行處理器間通信 (IPC)。

使用多核微控制器的技巧與訣竅

著手使用多核微控制器并不難，但要求開發(fā)人員開始以略微不同的方式考慮自己的應(yīng)用設(shè)計(jì)。以下是著手使用多核微控制器的一些“技巧與訣竅”：

• 仔細(xì)評(píng)估應(yīng)用，確定哪種應(yīng)用域劃分最合理。雖然可以在單個(gè)處理器上混用多個(gè)域，但不小心就可能會(huì)影響性能。

• 花些時(shí)間探索 OpenAMP 框架的內(nèi)置功能以及您的應(yīng)用如何充分利用這些功能。

• 下載 STM32H7 處理器的應(yīng)用示例，并運(yùn)行適用于所選開發(fā)板的多核應(yīng)用示例。H747 包括兩個(gè)示例：一個(gè)用于 FreeRTOS，另一個(gè)用于 OpenAMP。

• 進(jìn)行應(yīng)用調(diào)試時(shí)，切勿忘記有兩個(gè)內(nèi)核正在運(yùn)行！確保在調(diào)試環(huán)境中選擇正確的線程，以檢查調(diào)用歷史。

• 充分利用硬件信號(hào)量等內(nèi)部硬件資源來(lái)同步各內(nèi)核的應(yīng)用執(zhí)行。

首次使用多核微控制器時(shí)，只需從受到有力支持的開發(fā)板開始著手，然后遵循這些“技巧與訣竅”，開發(fā)人員即可節(jié)省不少時(shí)間，省去很多麻煩。

總結(jié)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)邊緣系統(tǒng)的開發(fā)人員而言，多核微控制器能夠更好地滿足應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)功能、性能和功耗之間的平衡。此類微控制器允許開發(fā)人員將應(yīng)用按域劃分，例如各種功能/實(shí)時(shí)處理或?qū)崟r(shí)/安全處理。將應(yīng)用分成不同的域后，開發(fā)人員即可在不需要時(shí)禁用某個(gè)內(nèi)核以節(jié)能，或適時(shí)啟用以提高應(yīng)用性能。

如上所述，市面上有許多不同的開發(fā)板可用于開始探索多核微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)，并能完全控制性能和能耗。