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)人員需要將越來越多樣化的處理密集型功能整合到設(shè)計中。同時，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封裝中集成了多個處理內(nèi)核。不過，僅僅使用多個內(nèi)核是解決不了問題的。開發(fā)人員需要了解對稱和非對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進(jìn)行說明。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。
多核微控制器簡介
如上所述，多核微控制器擁有多個處理內(nèi)核，采用兩種常用的配置：對稱和非對稱處理。對稱內(nèi)核配置包含兩個或多個完全相同的處理內(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)計要求。
物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員對多核微控制器非常感興趣，因為此類控制器使開發(fā)人員能夠?qū)?yīng)用分成多個執(zhí)行域。通過劃分執(zhí)行域，能夠精確控制應(yīng)用的性能、功能和功率需求。例如，一個內(nèi)核可用于通過高分辨率顯示屏和觸摸面板的用戶交互，而第二個內(nèi)核則用于管理系統(tǒng)的實(shí)時要求，例如控制電機(jī)、繼電器和采樣傳感器。
開發(fā)人員可通過多種方式來劃分應(yīng)用，其中兩大范式是將應(yīng)用分成：
在第一種范式（各種功能/實(shí)時處理）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、音頻播放和存儲器等實(shí)現(xiàn)各種功能的應(yīng)用元器件都由一個內(nèi)核進(jìn)行處理。然后，第二個內(nèi)核用于處理實(shí)時功能，例如電機(jī)控制、感測和通訊棧（圖 1）。
圖 1：一種使用多核微控制器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計的范式是，將實(shí)現(xiàn)各種功能的應(yīng)用元器件置于一個內(nèi)核中，并將實(shí)時處理元器件置于第二個內(nèi)核中。（圖片來源：STMicroelectronics）
第二種范式是將應(yīng)用分成實(shí)時和安全功能。在第一個內(nèi)核中，應(yīng)用可處理顯示、存儲器訪問和實(shí)時音頻播放等功能。另一方面，第二個內(nèi)核則只作為安全處理器。因此，第二個內(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，同時還處理加密、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)計的范式是，將實(shí)時應(yīng)用元器件置于一個內(nèi)核中，并將所有安全元器件置于第二個內(nèi)核中。（圖片來源：STMicroelectronics）
除此之外，還可通過一些其他方式來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：
讓我們來看看 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，包含一個運(yùn)行頻率為 480 MHz 的 Arm Cortex-M7 內(nèi)核和第二個運(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，因為它有許多附加功能，例如：
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器功能，使開發(fā)人員能夠測試運(yùn)行頻率分別為 480 MHz 和 240 MHz 的雙核微控制器。（圖片來源：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
LED
按鈕（撥動、操縱桿、喚醒）
這些附加功能，尤其是 I/O 擴(kuò)展，對剛剛?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，便于訪問外設(shè)，并帶有 LCD 屏幕，以便開始著手多核應(yīng)用。（圖片來源：STMicroelectronics）
介紹了幾款開發(fā)板后，接下來將簡單提出一些建議，幫助大家開始著手多核微控制器應(yīng)用。
首個多核應(yīng)用如何著手
無論選擇兩款 STM32H7 開發(fā)板中的哪一款，開始著手時都需要兩個主要工具。第一個工具是 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)動程序
FatFS（文件系統(tǒng)）
開發(fā)人員會想要下載固件應(yīng)用包，并熟悉所選開發(fā)板支持的示例。不過，開發(fā)人員需要特別注意兩個文件夾。第一個是包含兩個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)核之間來回傳輸數(shù)據(jù)，即一個內(nèi)核向另一個內(nèi)核發(fā)送數(shù)據(jù)，后者再將數(shù)據(jù)回傳。兩個示例以不同的方式執(zhí)行此操作。一個是不帶操作系統(tǒng)的 Bare metal，而另一個使用 FreeRTOS。
圖 5：STM32Cube_FW_H7 提供多個示例，演示了如何開始著手使用 OpenAMP 的多核處理。（圖片來源：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）。一個示例顯示如何在各內(nèi)核上運(yùn)行 FreeRTOS；而另一個示例顯示如何在一個內(nèi)核上使用 RTOS，并在第二個內(nèi)核上運(yùn)行 Bare metal。固件包中還有幾個其他示例可用于演示其他功能。不過，上述示例是入門學(xué)習(xí)的不錯選擇。
圖 6：STM32Cube_FW_H7 提供多個示例，演示了如何配置使用多核處理器的操作系統(tǒng)。（圖片來源：Beningo Embedded Group）
加載示例項目后，開發(fā)人員會看到類似于圖 7 所示的項目布局。如圖所示，項目按內(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內(nèi)核，請參見圖 7 中的灰顯文件。
圖 7：OpenAMP Ping-Pong 項目示例向開發(fā)人員演示了如何在兩個 CPU 內(nèi)核之間創(chuàng)建通信通道。（圖片來源：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。以下是著手使用多核微控制器的一些“技巧與訣竅”：
仔細(xì)評估應(yīng)用，確定哪種應(yīng)用域劃分最合理。雖然可以在單個處理器上混用多個域，但不小心就可能會影響性能。
花些時間探索 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 包括兩個示例：一個用于 FreeRTOS，另一個用于 OpenAMP。
進(jìn)行應(yīng)用調(diào)試時，切勿忘記有兩個內(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。
充分利用硬件信號量等內(nèi)部硬件資源來同步各內(nèi)核的應(yīng)用執(zhí)行。
首次使用多核微控制器時，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)省不少時間，省去很多麻煩。
總結(jié)
對于物聯(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)時處理或?qū)崟r/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禁用某個內(nèi)核以節(jié)能，或適時啟用以提高應(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，并能完全控制性能和能耗。
