1.引言

　　嵌入式技術的不斷成熟以及業界對工業設備小型化、個性化需求的不斷提高促使越來越多的工業設備控制系統采用嵌入式系統設計。工業設備控制最大的特點是對系統實時性要求較高。而通常情況下，控制過程中常常同時存在多種不同實時性要求的任務，不同任務對處理器時間的占用比例也有較大差異，因此如何有效的滿足并提高系統實時性能成為研究的重點。

　　傳統的控制系統單核處理器架構是主流，除了通過提升處理器主頻來提高系統的響應速度，還通過使用搶占式實時操作系統，引入多線程，改進系統任務調度策略等軟件方法來進一步提高系統性能。但隨著應用不斷復雜，控制精度要求不斷提高，有限的系統資源成為控制系統性能提升的最大瓶頸。

　　針對單CPU架構的局限性，多處理器系統的研究應用逐漸增多，文獻［1］采用FPGA 和多個DSP 互連的并行處理結構，實現了一個高速數據傳輸帶寬、低延遲且計算性能強大的實時圖像處理系統。文獻［2］提出了一種基于ARM的雙CPU協調運動控制系統的設計方法。文獻［3］采用ARM+DSP的主從式雙CPU結構設計實現了嵌入式運動控制器。文獻［4］分析比較了幾種典型的嵌入式雙核通信接口，并介紹了典型接口的設計要點。文獻［5］在單核嵌入式操作系統構架的基礎上，提出一種基于對稱通信的雙核處理器嵌入式操作系統構架，解決了異構雙核處理器中的通信效率和共享內存的利用問題。隨著雙核架構應用的不斷推廣，同時雙核微處理器技術逐漸成熟，如何設計穩定高效的系統軟件架構成為當前研究的重點。本文以 F28M35雙核系統為例，介紹了一種以IPC通信機制為核心，基于共享內存的雙核軟件架構方法。

　　2.雙核間通信的系統結構

　　完成雙核間的數據通信，除了數據傳輸介質——共享內存外，還需要系統提供一套雙核間交互的信號機制。通常該信號機制中同時包括中斷信號和非中斷信號。利用該信號機制，結合共享內存，可設計出各種靈活的通信方式。

　　從通信信號的角度，通信方式可分為輪詢方式和中斷方式。由于輪詢方式使內核處于忙等的狀態，因此應盡量避免使用，該方式多用于雙核之間事件需嚴格按照一定的順序執行的情況，例如系統啟動時雙核之間的初始化交互。

　　從攜帶數據量的角度講，雙核之間可僅僅利用信號機制完成通信，雙方協定默認的操作；另外，也是大部分時候的通信方式，雙方通過共享內存交換數據，該方式在設計時，將共享內存劃分為兩種屬性的內存區，分別用于兩個方向的數據傳遞。一種內存允許一個內核進行讀寫操作，而允許另外一個內核進行只讀操作，另一種則方向相反。例如，A內核欲向B內核發送數據時，先將數據寫入A核空間內的共享內存區，然后向B核發送信號，B核收到信號后從該方向的共享內存區將數據取出，并回復A核，完成一次數據通信。

　　通信協議和通信接口封裝是雙核通信應該重點考慮的環節。簡單的數據通信，雙方可以直接發送數據，默認雙方已經知道數據的含義以及數據應該放置的內存地址。但是隨著系統逐漸復雜，代碼量逐漸增加，無協議的數據通信給編程和理解都帶來很大問題，降低系統的可擴展性能。在設計中雙核通信可以采用和系統外設相同的通信協議，例如串口通信使用的Modbus協議，這樣可以重復利用協議解析函數，同時也可提高可移植性。另外可根據實際需要自行定義適用的通信協議，或者將通用的通信協議做適當的修改以更適應共享內存大數據量的數據通信。關于通信接口的軟件封裝通常定義數據發送函數、數據接收函數、協議解析函數等，原則是接口應盡量精簡，最大程度降低雙核間的耦合度。

　　3.雙核間的數據共享機制

　　雙核間實現數據共享主要有兩種策略，一種是將共享數據直接存儲于共享內存中，雙核均可對其進行操作。該方法關鍵要解決對共享內存互斥訪問的問題。關于雙口RAM互斥訪問的方法大致有兩種：

　　1）硬件判優，系統通過存儲器沖突仲裁單元向兩個內核提供共享內存訪問沖突標志，當雙核同時對相同地址的RAM進行存取時，仲裁單元促發相應忙信號，設計中可利用該信號插入等待時間，避免訪問沖突。

　　2）信號量機制，系統提供獨立于雙核的信號量管理單元。該方式又叫令牌判優方式，每個令牌可對應指定地址，指定長度的共享內存段。雙核按照協定的規則交替獲得令牌，進而操作相應的共享內存段。當雙核同時申請同一個令牌時，信號量管理單元裁定誰先占用。設計中可通過在訪問內存前先申請對應的令牌實現雙核對共享內存區的互斥訪問。

　　另一種實現數據共享的策略是在雙核各自本地定義相同的數據作為共享數據，按照寫后及時更新的原則，利用中斷方式通過雙核間的數據通信實現數據同步。這種方法適用于共享數據滿足一定條件時，即該共享數據對于其中一個內核是只讀的，否則，由于雙核獨立運行，運行進度幾乎沒有制約，若出現雙核均改寫共享數據的話，無法保證數據的有效性。

　　4. 雙核任務分配

　　任務分配的原則在于充分利用雙核資源，最大限度縮小系統響應時間。例如在運動控制領域利用ARM+DSP雙核處理器構架控制系統，在ARM核中實現系統邏輯控制，在DSP核中實現運動控制輸出，ARM核控制運動過程，通過命令的形式驅動DSP核實現具體的運動動作。另外在注塑機控制實例中，利用ARM核實現注塑過程控制，而在DSP端完成注塑機位置和溫度的智能控制算法，實現系統優化處理。