充分利用 Linux 的實時性能和豐富特性。

嵌入式系統(tǒng)一般分為兩大類：需要硬實時性能的;和不需要硬實時性能的。過去，我們不得不做出艱 抉擇，即選擇實時操作系統(tǒng)的性能還是我們鐘愛的 Linux 系統(tǒng)的豐富特性，然后努力彌補不足之處。

如今，嵌入式開發(fā)人員再也不需要在二者之間艱難選擇。非對稱多處理 (AMP) 兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點。幾款新型片上系統(tǒng) (SoC) 產(chǎn)品集成了多個 CPU、多種標準 I/O 外設和可編程邏輯。例如，賽靈思 Zynq-7000® All Programmable SoC 系列包含一個雙核 ARM® Cortex™-A9、標準外設(例如千兆位以太網(wǎng) MAC、USB、DMA、SD/MMC、SPI 和 CAN)以及龐大的可編程邏輯陣列。我們可將這些 SoC 產(chǎn)品作為 Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，助其實現(xiàn)高度的靈活性。

典型的 AMP 配置在很多方面類似于基于 PCI 的系統(tǒng)，即 Linux 域起到主機作用，RTOS 域起到適配器作用，并有一個或多個共享存儲器域用來實現(xiàn)兩個域之間的通信。不過與 PCI 不同，AMP 配置能更方便、動態(tài)地為一個或另一個域分配資源(標準外設和自定義邏輯)。此外，Linux/RTOS AMP 系統(tǒng)能根據(jù)運行時間要求——例如各種外部設備的有無——動態(tài)地重新配置可編程邏輯。

靈活程度通常會與建立 AMP 系統(tǒng)所涉及的復雜性和難度息息相關(guān)。不過請放心，Linux 開發(fā)社區(qū)已經(jīng)將很多功能引入到核心，能大大簡化 AMP 配置與使用。

LINUX 多處理簡介

就多處理而言，Linux 核心分為兩種：單處理器 (UP) 核心和對稱多處理器 (SMP) 核心。無論有多少個內(nèi)核，UP 核心只能在單個內(nèi)核上運行。AMP 系統(tǒng)可包含兩個或更多個單處理器內(nèi)核的實例。

SMP 核心可在一個內(nèi)核或同時在多個內(nèi)核上運行(圖 1)?？蛇x的核心命令行參數(shù)控制系統(tǒng)初始化之后 SMP 核心所使用的內(nèi)核數(shù)量。核心運行時，各種命令行實用程序會控制分配給核心的內(nèi)核數(shù)量。能夠動態(tài)地控制內(nèi)核所使用的內(nèi)核數(shù)量，這是 SMP 核心比 UP 核心更受 AMP 開發(fā)人員青睞的主要原因。

 圖 1 — 對稱多處理。SMP 核心可在多個內(nèi)核上同時運行。

遠程處理器 (remoteproc) 框架是一種 Linux 組件，負責啟動和停止各個內(nèi)核(遠程處理器)，以及在 AMP 系統(tǒng)中加載內(nèi)核的軟件。例如，我們可以將圖 1 所示的 SMP 系統(tǒng)動態(tài)地重新配置為圖 2 所示的 AMP 系統(tǒng)，然后再使用 remoteproc 的功能配置回 SMP。

我們可以通過用戶空間應用程序或系統(tǒng)初始化腳本完全控制重配置。重配置控制功能使用戶應用可以根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需求停止、重新加載和運行多種 RTOS 應用程序。

   圖 2 — 具有 Linux SMP 核心的 AMP

內(nèi)核的軟件(本例中是指 RTOS 和用戶應用程序)從標準的可執(zhí)行和可鏈接格式 (ELF) 文件中加載，該文件包含一個資源表的特殊段。資源表類似于 PCI 配置空間，用來描述 RTOS 需要的資源。這些資源中包括 RTOS 代碼和數(shù)據(jù)所需的存儲器。

追蹤緩沖區(qū)

追蹤緩沖區(qū)是自動在 Linux 文件系統(tǒng)中作為文件出現(xiàn)的存儲器區(qū)域。顧名思義，追蹤緩沖區(qū)向遠程處理器提供基本追蹤功能。遠程處理器向緩沖區(qū)寫入追蹤、調(diào)試和狀態(tài)消息，以便通過 Linux 命令行或定制應用進行檢查。

能夠動態(tài)地控制核心所使用的內(nèi)核數(shù)量，這是 SMP 核心比 UP 核心更受 AMP 開發(fā)人員青睞的主要原因。

在資源表中輸入條目，以請求一個或多個追蹤緩沖區(qū)。盡管一般包含純文本，但追蹤緩沖區(qū)也會包含二進制數(shù)據(jù)，例如應用狀態(tài)信息或警報指示。

虛擬 I/O 設備

我們還可使用資源表定義虛擬輸入/輸出設備 (VDEV)，這種設備主要是支持 Linux 核心與遠程處理器之間消息傳送的幾對共享存儲器隊列。VDEV 定義包括用來設定隊列大小的字段，以及用來在處理器之間發(fā)信號的中斷。

Linux 核心可處理虛擬 I/O 隊列的初始化。遠程處理器上運行的軟件只需要在其資源表中包含一個 VDEV 描述，然后在開始執(zhí)行時使用隊列;剩下的都由核心來處理。

遠程處理器消息框架

遠程處理器消息 (rpmsg) 框架是基于 Linux 核心的虛擬 I/O 系統(tǒng)的軟件消息總線。該消息總線類似于局部區(qū)域子網(wǎng)絡，單個處理器可在其中通過共享存儲器創(chuàng)建可尋址端點和交換信息。

核心的 rpmsg 框架起到開關(guān)的作用，根據(jù)消息中包含的目的地址將消息傳送到相應端點。由于消息報頭包含源地址，因此可在不同處理器之間建立專用連接。

命名服務

處理器可通過向 rpmsg 框架的命名服務發(fā)送消息，以動態(tài)宣布特定服務。命名服務功能本身用途不是很大。不過，rpmsg 框架允許將服務名稱關(guān)聯(lián)到設備驅(qū)動程序，以支持驅(qū)動程序的自動加載和初始化。

例如，如果遠程處理器宣布 dlinx-h323-v1.0 服務，那么核心可以搜索、加載和初始化與該名稱關(guān)聯(lián)的驅(qū)動程序。如果系統(tǒng)中服務被動態(tài)安裝在遠程處理器上，那么這樣可大大簡化驅(qū)動程序管理。

管理中斷

中斷管理有些棘手，尤其在啟動和停止內(nèi)核時更是如此。最終，系統(tǒng)需要在遠程處理器啟動時動態(tài)地將特定中斷重定向至遠程處理器域，然后當遠程處理器停止時收回中斷。此外，系統(tǒng)必須保護中斷，防止其被錯誤配置的驅(qū)動程序誤分配。簡言之，必須在系統(tǒng)層面管理中斷。

對于 Linux SMP 核心而言，這是一個常規(guī)事件，而且是 SMP 核心在 AMP 配置中更受青睞的另一個原因。遠程處理器框架能方便地管理中斷，只需來自設備驅(qū)動程序的最小支持。

設備驅(qū)動程序

設備驅(qū)動開發(fā)是個始終需要關(guān)注的問題，因為所需的技能組合可能無法立刻提供。幸運的是，Linux 核心的 remoteproc 和 rpmsg 框架完成大部分重活;驅(qū)動程序只需要實現(xiàn)幾個標準驅(qū)動程序例程。功能完整的驅(qū)動程序可能只需要幾百行代碼。核心源代碼樹包含嵌入式開發(fā)人員可根據(jù)自身要求進行調(diào)整的驅(qū)動程序范例。

廠商還提供通用的開源設備驅(qū)動程序。DesignLinx Hardware Solutions 提供針對 Linux 和 FreeRTOS 的通用 rpmsg 驅(qū)動程序。由于通用驅(qū)動程序沒有假定所交換消息的格式，因此嵌入式開發(fā)人員可將其用于多種 AMP 應用，無需做任何修改。

引腳內(nèi)移動

核心的多處理支持并不局限于同構(gòu)多處理系統(tǒng)(使用同一類型處理器的系統(tǒng))。以上介紹的所有特性也可以用在異構(gòu)系統(tǒng)中(具有不同類型處理器的系統(tǒng))。當“在引腳內(nèi)”移植已有設計時，這些多處理功能尤其有用。

新型 SoC 產(chǎn)品使設計人員能夠方便地將各種硬件設計從印刷電路板移植到片上系統(tǒng)(圖 3)。過去在 PCB 上作為分立處理器和組件的部分可以完全在 SoC 的引腳內(nèi)實現(xiàn)。

例如，我們可以使用賽靈思 Zynq-7000 系列 SoC 實現(xiàn)圖 3 中的初始 PCB 硬件架構(gòu)，將其中一個 ARM 處理器作為可編程邏輯中的控制 CPU 和軟處理器(例如賽靈思 MicroBlaze™ 處理器)，以替代分立處理器。我們可以使用剩余的 ARM 處理器運行 Linux SMP 核心(圖 4)。

將 Linux 添加到初始設計中能夠為 ARM 內(nèi)核和軟核處理器提供以上描述的所有標準多處理功能(例如啟動、停止、重載、追蹤緩沖區(qū)和遠程消息)。而且，還帶來豐富的 Linux 功能集，可支持多種網(wǎng)絡接口(以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙)、網(wǎng)絡服務(Web 服務器、FTP、SSH、SNMP)、文件系統(tǒng)(DOS、NFS、cramfs、閃存存儲器)以及其他接口(PCIe、SPI、USB、MMC、視頻)等。這些特性能方便地實現(xiàn)新功能，無需對經(jīng)過檢驗的架構(gòu)做太大改動。

新型 SoC 產(chǎn)品使設計人員能夠方便地將各種硬件設計從印刷電路板移植到片上系統(tǒng)。

內(nèi)核不斷涌現(xiàn)

過去幾年中，針對嵌入式市場的多核 SoC 產(chǎn)品不斷增加，而且很適合用于 AMP 配置。

例如，賽靈思 UltraScale+™ MPSoC 架構(gòu)包含一個 64 位四核 ARM Cortex-A53、一個 32 位雙核 ARM Cortex-R5、一個圖形處理單元 (GPU) 以及多種其他外設，當然還包括有用的可編程邏輯。這為那些清楚如何駕馭實時操作系統(tǒng)的性能以及 Linux 核心的豐富特性集的設計人員提供了沃土。