盡管多核已經(jīng)是與應(yīng)用處理器和基于FPGA的應(yīng)用首要相關(guān)的技術(shù)趨勢，但對(duì)于深度嵌入式應(yīng)用的開發(fā)者而言，這一趨勢背后的真正好處或許并不十分明顯。在本篇文章中，我們將通過幾個(gè)應(yīng)用案例探討多核微控制器相比傳統(tǒng)單核微控制器帶來的優(yōu)勢，文章結(jié)尾將介紹一個(gè)實(shí)際的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的方案。
首先也可能是最常見的一個(gè)使用案例，是用多核微控制器將應(yīng)用程序分成幾塊實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序域。在這些應(yīng)用程序中，開發(fā)人員可能會(huì)有不同組且相互沖突的實(shí)時(shí)需求。例如，在PMSM電機(jī)控制應(yīng)用中，功率因數(shù)校正（PFC）環(huán)路需要與電機(jī)控制環(huán)路同時(shí)執(zhí)行。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能需要對(duì)大量傳感器進(jìn)行采樣，同時(shí)通過千兆網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸信息，這將導(dǎo)致通信連接協(xié)議棧與傳感器采集任務(wù)之間的沖突。直接解決這些情況的辦法是將一個(gè)任務(wù)放在一個(gè)內(nèi)核中，另一個(gè)任務(wù)放在另一個(gè)內(nèi)核中。
第二個(gè)使用案例經(jīng)常出現(xiàn)在功能性安全應(yīng)用程序中，即用相同的兩個(gè)處理器并行運(yùn)行同一組操作，通過檢測裝置比較兩組結(jié)果，以識(shí)別故障。
第三個(gè)使用案例在安全應(yīng)用方面。對(duì)于單核微控制器，開發(fā)人員使用ARM Trustzone來創(chuàng)建基于硬件的隔離。轉(zhuǎn)換需要長達(dá)三個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間來切換執(zhí)行域，從而會(huì)導(dǎo)致不必要的延遲。對(duì)于多核微控制器，工程師可以將一個(gè)內(nèi)核專用于安全處理環(huán)境，將另一個(gè)內(nèi)核專用于非安全的處理環(huán)境，無需來回切換。
AI人工智能正變得越來越流行，實(shí)時(shí)控制應(yīng)用也不例外。機(jī)器學(xué)習(xí)推理通常需要大量計(jì)算，所以在實(shí)時(shí)控制應(yīng)用中，較為可取的做法是將實(shí)時(shí)控制和機(jī)器學(xué)習(xí)分離到不同的處理內(nèi)核。
任務(wù)分割及實(shí)時(shí)的簡化
使用多核微控制器的主要優(yōu)勢在于，它可以通過分離關(guān)注點(diǎn)或應(yīng)用程序域來分解應(yīng)用代碼。目前有三類主要的應(yīng)用領(lǐng)域，可適用于大多數(shù)程序，但肯定還有其他的。這三類領(lǐng)域包括：實(shí)時(shí)執(zhí)行；連接性（Ethercat/Profinet等）；安全/非安全。
在實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方案中，應(yīng)用程序根據(jù)其時(shí)序要求被分成兩個(gè)域。支持豐富執(zhí)行功能（如圖形用戶界面）的組件將位于一個(gè)內(nèi)核中（可能是Cortex-M4/M7）；支持實(shí)時(shí)需求（如傳感器采集和控制）的組件將位于第二個(gè)內(nèi)核（可能是Cortex-M3/M4）。
在安全/非安全實(shí)現(xiàn)方案中，應(yīng)用程序不是根據(jù)其執(zhí)行需求，而是出于安全考慮進(jìn)行分解。支持安全啟動(dòng)、加密庫、安全通信或其他安全功能的組件將在一個(gè)處理器（如 Cortex-M0+/M3/M4）上執(zhí)行。同樣，一般應(yīng)用組件將在另一個(gè)處理器（如 Cortex-M4/M7）上執(zhí)行。這種實(shí)施方式的主要好處是Cortex-M0+/M3/M4可作為安全處理器和執(zhí)行環(huán)境，與應(yīng)用程序的其他部分進(jìn)行硬件隔離。
在應(yīng)用/通信實(shí)現(xiàn)方案中，有一個(gè)內(nèi)核專門用于處理通信協(xié)議棧。該協(xié)議棧可以是Wi-Fi協(xié)議棧、藍(lán)牙協(xié)議棧、EtherCat協(xié)議?；蚱渌ㄐ艆f(xié)議棧，甚至可以是多種協(xié)議棧的組合。這樣做的好處是可以使微控制器集成通信功能。第二個(gè)內(nèi)核則專門用于正常的應(yīng)用代碼。
如你所見，使用多核微控制器在這幾個(gè)實(shí)施方案中具有重要意義，在某些實(shí)例中甚至可以使用兩個(gè)以上的內(nèi)核。
使用多核微控制器的第三個(gè)也是最后一個(gè)優(yōu)勢，是它能讓開發(fā)團(tuán)隊(duì)分配工作負(fù)載。這里實(shí)際上意味著兩件事。首先，我們可以將開發(fā)和維護(hù)應(yīng)用程序的工作負(fù)載分配給多個(gè)開發(fā)人員或團(tuán)隊(duì)。我們可以有一個(gè)內(nèi)核一應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，和一個(gè)內(nèi)核二應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)專注于各自內(nèi)核的應(yīng)用組件，并與另一個(gè)團(tuán)隊(duì)就可能存在重疊或需要仔細(xì)協(xié)調(diào)內(nèi)核間應(yīng)用行為的領(lǐng)域進(jìn)行互動(dòng)。
很顯然，分配工作負(fù)載的第二種方式，就是將應(yīng)用程序工作負(fù)載分配給多個(gè)處理器。由于擁有多個(gè)內(nèi)核，我們可以得到真正的并發(fā)應(yīng)用行為。但不要忘記，就像在使用RTOS的并發(fā)應(yīng)用程序中一樣，使用多核并發(fā)時(shí)，我們會(huì)遇到有趣的競爭條件，定時(shí)問題，共享資源問題和其他并發(fā)行為問題。在分離內(nèi)核間的工作負(fù)載時(shí)，必須非常謹(jǐn)慎地使用處理器間的通信方法。
實(shí)際應(yīng)用案例：空調(diào)室外機(jī)中的SPC2188
SPC2188是一款先進(jìn)的微控制器（MCU），配備雙32位ARM Cortex-M4F內(nèi)核，專為需要高效多任務(wù)處理能力的復(fù)雜應(yīng)用而設(shè)計(jì)。SPC2188每個(gè)內(nèi)核的最高工作頻率為240MHz，SRAM容量高達(dá)384KB，具有ECC（糾錯(cuò)碼）保護(hù)功能，為管理實(shí)時(shí)應(yīng)用中的復(fù)雜任務(wù)提供了強(qiáng)大的平臺(tái)（如空調(diào)室外機(jī)中的任務(wù)）。
空調(diào)室外機(jī)的高效運(yùn)行需要精確的控制機(jī)制，以便應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)變化。這些設(shè)備需要調(diào)整電機(jī)速度，保持功率因數(shù)，并管理熱輸出，同時(shí)最小化噪聲和振動(dòng)。SPC2188雙核MCU采用了專門的任務(wù)分配方法來滿足這些需求，保證了高效率和響應(yīng)性。
眾所周知，PFC在這類應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵功能，需要迅速和連續(xù)的計(jì)算，以優(yōu)化能源使用和保持電力效率。PFC的實(shí)時(shí)性以及對(duì)高速、重復(fù)計(jì)算的需求，就決定了要使用SPC2188的一個(gè)內(nèi)核，即CPU0。該內(nèi)核是專門分配給PFC的，因?yàn)樗軌蛑苯訌腞AM執(zhí)行指令，促進(jìn)快速計(jì)算吞吐量，這對(duì)維持高于40kHz的中斷頻率至關(guān)重要。
SPC2188的另一個(gè)內(nèi)核被指定為CPU1，用于管理主控系統(tǒng)和室外機(jī)的組成部件——壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)。這種劃分確保了CPU0專注于要求苛刻的PFC時(shí)，CPU1可以有效地監(jiān)督該單元的主要功能。它可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和風(fēng)扇的電流和速度回路，并根據(jù)工作頻率（風(fēng)扇為10khz，壓縮機(jī)為6kHz）進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過精心選擇，可以在性能與噪音和熱管理方面取得平衡。
一個(gè)精巧的郵箱通信系統(tǒng)對(duì)CPU的同步操作至關(guān)重要。SPC2188確保精確和及時(shí)地進(jìn)行控制調(diào)整，從而保持系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和操作變量的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
SPC2188 MCU充分體現(xiàn)了專用內(nèi)核分配的潛力，可滿足空調(diào)室外機(jī)的不同功能要求。通過將CPU0專注于PFC的高實(shí)時(shí)性要求，CPU1專注于壓縮機(jī)和風(fēng)扇的總體控制，MCU在效率和響應(yīng)速度之間實(shí)現(xiàn)了絕妙的平衡。這種戰(zhàn)略性任務(wù)分配凸顯了多核MCU在復(fù)雜電機(jī)控制應(yīng)用中的能力，為實(shí)現(xiàn)更智能、更節(jié)能的電機(jī)控制解決方案鋪平了道路。
多核微控制器無疑為開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供了諸多優(yōu)勢，可幫助他們解決日益復(fù)雜的系統(tǒng)問題。將應(yīng)用程序分為不同關(guān)注區(qū)域或應(yīng)用程序域的能力，是目前采用多核微控制器的主要驅(qū)動(dòng)因素。在考慮采用多核解決方案時(shí)，平衡性能與能耗以及分配工作負(fù)載的能力也是重要優(yōu)勢。雖然目前市場上只有少數(shù)幾種多核微控制器，但在未來十年間，我們無疑會(huì)發(fā)現(xiàn)它們?cè)絹碓蕉嗟爻霈F(xiàn)在我們的設(shè)計(jì)中。
