從通信、采樣傳感器到執(zhí)行機器學習 (ML) 推斷，物聯(lián)網 (IoT) 邊緣設備開發(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計的重心元件（即微控制器）上采用更加靈活的架構方法，以便增加功能，同時實現(xiàn)性能、功能和功耗之間的很佳平衡。

    這種架構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核。不過，僅僅使用多個內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、如何進行功能劃分，以及如何對這些內核進行有效編程。

    本文將首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工作負載的若干用例。

    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核，采用兩種常用的配置：對稱和非對稱處理。對稱內核配置包含兩個或多個完全相同的處理內核。例如，這些內核可能都是Arm Cortex-M4處理器。另一方面，非對稱內核可能包含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，具體取決于應用和設計要求。

    物聯(lián)網開發(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)人員能夠將應用分成多個執(zhí)行域。通過劃分執(zhí)行域，能夠jing確控制應用的性能、功能和功率需求。例如，一個內核可用于通過高分辨率顯示屏和觸摸面板的用戶交互，而第二個內核則用于管理系統(tǒng)的實時要求，例如控制電機、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用，其中兩大范式是將應用分成：

    各種功能/實時處理

    實時/安全

    在第yi種范式（各種功能/實時處理）中，系統(tǒng)與上文所述完全一樣。顯示屏、機器學習推斷、音頻播放和存儲器等實現(xiàn)各種功能的應用元器件都由一個內核進行處理。然后，第二個內核用于處理實時功能，例如電機控制、感測和通訊棧（圖1）。

    圖1：一種使用多核微控制器進行應用設計的范式是，將實現(xiàn)各種功能的應用元器件置于一個內核中，并將實時處理元器件置于第二個內核中。（圖片）

    第二種范式是將應用分成實時和安全功能。在第yi個內核中，應用可處理顯示、存儲器訪問和實時音頻播放等功能。另一方面，第二個內核則只作為安全處理器。因此，第二個內核將處理設備和網絡密鑰等關鍵數(shù)據(jù)存儲，同時還處理加密、安全引導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行應用設計的范式是，將實時應用元器件置于一個內核中，并將所有安全元器件置于第二個內核中。（圖片）

    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用空間，但這兩種范式似乎很受物聯(lián)網開發(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，那么很好選擇具有下列特性的開發(fā)板：

    包括用于各種功能應用探索的LCD

    擴展I/O

    低成本

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

    讓我們來看看 STMicroelectronics 推出的幾款產品示例，首先從STM32H745I-DISCO開始（圖3）。該開發(fā)板基于STM32H745ZIT6雙內核微控制器，包含一個運行頻率為480MHz的Arm Cortex-M7內核和第二個運行頻率為240MHz的Arm Cortex-M4處理器。該器件具有雙jing度浮點單元和L1緩存——16KB數(shù)據(jù)緩存和16KB指令緩存。這款Discovery板相當值得關注，因為它有許多附加功能，例如：

    SAI音頻編解碼器

    微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風

    板載四通道SPI閃存

    4GB eMMC

    子板擴展

    以太網

    用于音頻和耳機的針座

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

    STM32H745I-DISCO板集成了各種板載傳感器和存儲器功能，使開發(fā)人員能夠測試運行頻率分別為480MHz和240MHz的雙核微控制器。

    如果開發(fā)人員希望開發(fā)板具有附加功能和更多擴展I/O，STM32H757I-EVAL可能正是理想之選。STM32H757I-EVAL包括許多評估板所不具備的功能，例如：

    8M x 32位SRAM

    1Gb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擴展，對剛剛入門的開發(fā)人員非常有用。

   STM32H757I-EVAL板為開發(fā)人員提供了許多擴展空間，便于訪問外設，并帶有LCD屏幕，以便開始著手多核應用。（圖片）

    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用。

    初次多核應用如何著手

    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yi個工具是STMicroelectronics的STM32CubeIDE，這款無償集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 使開發(fā)人員可以編譯自己的應用代碼，并將其部署到開發(fā)板。此外，STM32CubeIDE還提供對應用進行單步調試所需的資源，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

    外設驅動程序

    FatFS（文件系統(tǒng)）

    開發(fā)人員會想要加載固件應用包，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yi個是包含兩個示例以顯示如何使用OpenAMP的應用文件夾（圖5）。這些示例顯示如何在微控制器內核之間來回傳輸數(shù)據(jù)，即一個內核向另一個內核發(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 Embedded Group）

    第二組示例分別演示了如何配置帶和不帶RTOS的內核（圖6）。一個示例顯示如何在各內核上運行FreeRTOS；而另一個示例顯示如何在一個內核上使用RTOS，并在第二個內核上運行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，上述示例是入門學習的不錯選擇。

    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 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，項目按內核劃分了應用代碼。另外，還可以設置構件配置，使開發(fā)人員一個只能使用一個內核，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內核之間創(chuàng)建通信通道。（圖片 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readme.txt文件，以獲得示例代碼如何工作的詳細描述，然后查看源代碼以了解如何實際執(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用設計。以下是著手使用多核微控制器的一些“技巧與訣竅”：

    仔細評估應用，確定哪種應用域劃分很合理。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框架的內置功能以及您的應用如何充分利用這些功能。

    加載STM32H7處理器的應用示例，并運行適用于所選開發(fā)板的多核應用示例。H747包括兩個示例：一個用于FreeRTOS，另一個用于OpenAMP。

    進行應用調試時，切勿忘記有兩個內核正在運行！確保在調試環(huán)境中選擇正確的線程，以檢查調用歷史。

    充分利用硬件信號量等內部硬件資源來同步各內核的應用執(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

    對于物聯(lián)網邊緣系統(tǒng)的開發(fā)人員而言，多核微控制器能夠更好地滿足應用要求，實現(xiàn)功能、性能和功耗之間的平衡。此類微控制器允許開發(fā)人員將應用按域劃分，例如各種功能/實時處理或實時/安全處理。將應用分成不同的域后，開發(fā)人員即可在不需要時禁用某個內核以節(jié)能，或適時啟用以提高應用性能。

    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用設計，并能完全控制性能和能耗。