在非對稱多核架構(gòu)中實現(xiàn)軟件組件

之前我討論了非對稱多核以及如何在需要實時響應時間和豐富的用戶界面和/或連接性的場景中使用它。我使用飛思卡爾的 Vybrid 作為此類架構(gòu)的示例，并討論了使這種解決方案比使用串行鏈路連接兩個獨立處理器的“傳統(tǒng)”方法更易于開發(fā)和更可靠的硬件特性。

在本文中，我將通過展示一個由 Toradex 和 AntMicro 開發(fā)的演示項目來展示可用于在這種架構(gòu)上實現(xiàn)解決方案的軟件組件。我們開發(fā)了一個提供觸摸屏用戶界面的 2D 繪圖儀。機械部分不是很復雜。它來自 Internet 上可用的工具包。我們進行了一些改進以提高繪圖質(zhì)量和機械可靠性。

控制繪圖硬件需要有限數(shù)量的數(shù)字 I/O。另一方面，我們需要精確的時間來獲得良好的繪圖質(zhì)量，并且需要處理大量的數(shù)據(jù)來繪制復雜的主題。

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了最終結(jié)果，我們可以深入了解它并了解它是如何實現(xiàn)的。

該系統(tǒng)有兩個主要組成部分：一個基于觸摸屏的用戶界面，顯示不同的矢量圖形圖像并讓用戶選擇繪圖儀將轉(zhuǎn)移到紙上的一個，以及一個在繪圖過程中控制硬件的實時控制系統(tǒng)。每個組件都在專用內(nèi)核上運行。我們將 Cortex-A5 用于用戶界面，將 Cortex-M4 用于實時控制。

在 Cortex-A5 上，我們選擇運行 Linux 并使用 QT 框架來實現(xiàn)用戶模式應用程序。Linux 是嵌入式設備的常見選擇，并以合理的占用空間提供了我們系統(tǒng)所需的所有功能。

Digia 維護的 Qt 框架也是嵌入式設備的流行選擇。它提供了豐富的功能集（不限于用戶界面）、用戶友好的集成開發(fā)環(huán)境（包括 UI 設計器）和雙重開源/商業(yè)許可。Qt 支持 SVG 矢量圖形格式，這使得選擇它作為顯示器上顯示的圖像格式變得很容易。相同的圖像被轉(zhuǎn)換為?? G 代碼（一種數(shù)字控制編程語言）。控制系統(tǒng)解析 G 代碼以執(zhí)行實際的繪圖操作。

在 Cortex-M4 上，我們需要同時執(zhí)行活動，從 UI 獲取命令和數(shù)據(jù)，同時移動 X 和 Y 軸。這種控制可以在裸機固件中實現(xiàn)，但實時操作系統(tǒng) （RTOS） 可以簡化開發(fā)。RTOS 管理不同任務的調(diào)度，而不會丟失實時響應時間。它還允許從應用程序代碼直接訪問硬件。

我們選擇 eCos（由 AntMicro 移植）作為 m4 內(nèi)核的 RTOS。它提供了一個調(diào)度器和一個硬件抽象層，使我們的應用程序代碼變得簡單。這兩個組件需要通信，我們有三種不同的通信方式：

? 發(fā)送到控制系統(tǒng)的命令

? 關(guān)于繪圖儀當前狀態(tài)的反饋

? 提供用于控制繪圖的 G 代碼

前兩種通信涉及少量數(shù)據(jù)，需要快速傳遞。飛思卡爾提供了一個名為多核通信 （MCC） 的庫，可以很好地滿足這些要求。它提供了一個基于端點的接口，用于交換消息。在 Linux 上運行的每個應用程序都可以創(chuàng)建自己的端點，也可以將消息發(fā)送到由 M4 核心管理的端點。從開發(fā)人員的角度來看，這種機制類似于套接字或管道，提供易于使用的通信鏈接。

AntMicro 將 MCC 移植到 eCos，在 M4 內(nèi)核上提供相同的功能。MCC 消息可用于發(fā)送小數(shù)據(jù)包，保持它們的順序。它們不適合一次發(fā)送復雜圖形的完整 G 代碼。為此，我們決定使用共享內(nèi)存，允許 M4 內(nèi)核訪問 Linux 應用程序加載的 G 代碼數(shù)據(jù)。

架構(gòu)如下圖所示，突出顯示了在兩個內(nèi)核上運行的不同組件。

Linux應用程序?qū)4代碼加載到內(nèi)存并使用飛思卡爾提供的mqxboot命令行工具啟動（該工具是開源的，可以作為參考了解M4如何初始化，并在內(nèi)部直接實現(xiàn)該功能如果需要對過程進行更嚴格的控制，則應用程序代碼）。然后通過 MCC 交換“歡迎”消息，以確保兩個內(nèi)核都啟動并運行。當用戶選擇一個繪圖并按下按鈕開始繪圖時，Linux 應用程序執(zhí)行一系列操作：

? 發(fā)送“home”命令移動繪圖區(qū)域左上角的筆

? 將 G 代碼數(shù)據(jù)加載到與 M4 共享的內(nèi)存區(qū)域（這也可以使用 mqxboot 完成）

? 發(fā)送“start”命令開始繪圖過程

此時，M4 內(nèi)核獨立運行，處理 G 代碼數(shù)據(jù)，移動軸，并發(fā)送回有關(guān)其進度的通知。我們提供了一個按鈕，可以在一段時間內(nèi)以 100% 的速度加載 A5 內(nèi)核，以表明這不會影響另一個內(nèi)核的操作，因為它可以獨立操作并訪問完成繪圖所需的數(shù)據(jù)。

兩個應用程序的源代碼都可以在github上找到，你可以看到代碼總量相當合理（幾百行），并且通過MCC實現(xiàn)的管理通信通道的代碼非常簡單易讀。

審核編輯：郭婷