如果時(shí)序定義明確且時(shí)間關(guān)鍵功能被分區(qū)，單核微控制器可以執(zhí)行多任務(wù)，以便中斷和定時(shí)器服務(wù)例程響應(yīng)時(shí)間足夠快，可以處理手頭的任務(wù)。然而，它的設(shè)計(jì)相當(dāng)于雜耍。當(dāng)一個(gè)球在空中不需要服務(wù)時(shí)，另一個(gè)球可能需要立即服務(wù)以保持過程移動(dòng)。只要你足夠快以切換上下文，一切都很好。

當(dāng)任務(wù)重疊時(shí)，可能無(wú)法足夠快地做出反應(yīng)，例如當(dāng)同時(shí)發(fā)生多個(gè)同步和異步刺激時(shí)。在這些情況下，只有幾個(gè)選項(xiàng)。一個(gè)是更快的處理器。另一種方法是使用多個(gè)處理器并將應(yīng)用程序劃分為時(shí)間可管理或流水線組塊。第三種，也是最好的選擇，就是采用單芯片雙核或多核處理器。

本文介紹具有多個(gè)核心的處理器。這些部分允許任務(wù)主管為每個(gè)核心分配個(gè)人職責(zé)，以便其他干擾不會(huì)影響完成諸如時(shí)間關(guān)鍵控制循環(huán)等任務(wù)所需的實(shí)時(shí)性能。

總線背面

了解如何最好地選擇雙核或多核處理器的關(guān)鍵在于它如何使用或復(fù)制資源。最簡(jiǎn)單（也是非常有效）的方法是每個(gè)處理核心都有自己的“支持人員”，包括自己的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，時(shí)鐘和I/O.共享外設(shè)需要由當(dāng)前使用它們的處理器內(nèi)核聲明（圖1），雙端口內(nèi)存可以作為交換關(guān)鍵數(shù)據(jù)的手段。

圖1：當(dāng)每個(gè)微核心擁有自己的資源以便獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，提供最大的自由度。唯一可能的爭(zhēng)用點(diǎn)是必須設(shè)計(jì)用于處理它的雙端口RAM。

共享資源可以節(jié)省芯片面積和功耗，但必須以每個(gè)處理器內(nèi)核始終可用的方式進(jìn)行同步。浮點(diǎn)處理器可能需要多個(gè)指令和周期來(lái)加載操作數(shù)，然后進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。在目前為止討論的兩種情況下，在資源空閑之前將不同的核心保持在等待狀態(tài)并不是一種有效的方法，并且在這些條件下或多或少會(huì)將性能降低到單核級(jí)別。

對(duì)于像數(shù)據(jù)總線這樣的通用數(shù)據(jù)路徑資源也是如此。如果內(nèi)部只有一個(gè)數(shù)據(jù)總線，則每個(gè)核心都需要訪問它，通常每個(gè)周期至少有一次，但有時(shí)更多。存在爭(zhēng)用時(shí)可以插入等待狀態(tài)，但這對(duì)原因沒有幫助。

正如您所猜測(cè)的那樣，內(nèi)核的同步性和時(shí)序性是一個(gè)重要因素。如果每個(gè)內(nèi)核以其自己的頻率以自己的頻率運(yùn)行，則可以訪問共享總線。但是，如果使用公共時(shí)鐘在內(nèi)核之間交錯(cuò)微狀態(tài)，則可以在沒有任何爭(zhēng)用的情況下最大限度地利用內(nèi)部資源。以Von Neumann架構(gòu)為例，我們可以讓四個(gè)核心處理器使用讀取，解碼，操作和執(zhí)行周期共享一個(gè)公共總線（圖2）。請(qǐng)注意，雖然第2階段和第3階段操作可以在每個(gè)處理器內(nèi)部，但使用總線的執(zhí)行周期（如內(nèi)存存儲(chǔ)）仍然可能導(dǎo)致爭(zhēng)用。如果I/O路徑對(duì)處理器是唯一的，則可以在執(zhí)行周期期間執(zhí)行一些I/O操作。

圖2：當(dāng)多個(gè)微控制器及時(shí)交錯(cuò)時(shí)，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)總線管理等公共資源的更好控制。當(dāng)發(fā)生內(nèi)存和I/O讀寫時(shí)，仍然必須小心，因?yàn)樗鼈兛梢月暶骺偩€。具有分割代碼和數(shù)據(jù)總線的哈佛架構(gòu)可以解決這個(gè)問題。

要記住的另一個(gè)因素是部件中的每個(gè)核心處理器不必相同或相同。恩智浦半導(dǎo)體的32位非對(duì)稱雙核204 MHz PC4337JBD144E是該公司LPC43xx系列ARM?Cortex?M4和M0內(nèi)核的成員，采用單封裝。這些部件的ROM，RAM，外設(shè)組合，I/O和封裝尺寸各不相同，但所有部件都具有較小的M0內(nèi)核，可以接管內(nèi)務(wù)管理，初始化和數(shù)據(jù)管理工作，而M4內(nèi)核可以自由地執(zhí)行更多過程密集型功能，得益于其浮點(diǎn)硬件和DSP擴(kuò)展。

恩智浦部件使用多層矩陣和各個(gè)外設(shè)橋來(lái)解決處理器內(nèi)核和外設(shè)之間的仲裁問題（圖3）。 Master和Slave指定也確保優(yōu)先級(jí)。其思想是AHB矩陣將ARM Cortex M4總線和其他總線主控器連接到外設(shè)，以便允許不同總線主控器同時(shí)訪問位于不同從端口上的外設(shè)。

圖3：為解決總線爭(zhēng)用問題，恩智浦使用AHB矩陣，允許多個(gè)內(nèi)核和外設(shè)在需要時(shí)訪問總線。

飛思卡爾的i.MX 6是一系列可擴(kuò)展的單核，雙核和四核32位ARM 9處理器。它們的內(nèi)核每個(gè)時(shí)鐘速度為1 GHz，與其他高端處理器一樣，這些器件具有硬件支持，如USB（和OTG），以太網(wǎng)，MMC/SD卡，PCI，2D和3D圖形以及SATA等外設(shè)。只是幾個(gè)（圖4）。

圖4：飛思卡爾的方法是在添加核心時(shí)添加更復(fù)雜的外圍設(shè)備和接口。這允許使用內(nèi)核代碼進(jìn)行可擴(kuò)展開發(fā)以進(jìn)行基本固件驗(yàn)因此，在逐步添加更多核心和功能之前，可以建立穩(wěn)定的固件庫(kù)。

采用飛思卡爾的雙核MCIMX6D5EYM10AC采用624引腳FBGA封裝。它的0.9至1.5 V操作可將熱量和功耗降至最低，而224 I/O并非易事。雖然這個(gè)I/O的一部分通過外部總線接口專用于外部程序存儲(chǔ)器，但這些部件非常密集，晶體管數(shù)量非常高，因此保持低功耗至關(guān)重要。

應(yīng)該注意，這些核不是不對(duì)稱的。它們實(shí)際上完全相同。這意味著單核設(shè)計(jì)可以遷移到雙核或四核設(shè)計(jì)，并且隨著性能的提高，代碼將兼容。這可能是一個(gè)關(guān)鍵的決定因素，特別是如果您正在設(shè)計(jì)筆記本電腦，智能手機(jī)，筆記本電腦或其他需要同時(shí)支持許多高端外設(shè)的多功能設(shè)備。

多核MCU領(lǐng)域的另一個(gè)參與者是XMOS，它提供了一系列可擴(kuò)展的32位部分。 XS1系列包括單核，雙核，四核，十六進(jìn)制和八核，以及多達(dá)16核的器件，從48引腳TQFP封裝到512引腳LFBGA封裝（圖5）。這些部件還包含豐富的外圍設(shè)備和功能?？紤]0.95至3.6 V 48引腳400 MIPS四核XS1-L4A-64-TQ48-C4。每個(gè)核心（稱為磁貼）可同時(shí)執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，并可執(zhí)行計(jì)算，高級(jí)DSP代碼，控制代碼或處理I/O的軟件。

圖5：借助XMOS的通道鏈接和響應(yīng)端口映射方法，最多可將16個(gè)內(nèi)核放在一個(gè)封裝中。當(dāng)擴(kuò)展發(fā)生時(shí)，可以復(fù)制ROM，RAM和時(shí)序等關(guān)鍵功能。

在XMOS中，部件調(diào)度硬件執(zhí)行類似RTOS的功能，以確保低延遲并消除中斷，確保確定性操作。由于每個(gè)核心都是相同的，隨著計(jì)算和多任務(wù)處理需求的增長(zhǎng)，您的設(shè)計(jì)功能也可以增長(zhǎng)，而無(wú)需重新開始創(chuàng)建軟件。

總之，處理器和功能的巧妙劃分可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，多核部件可以成為幫助工程師解決關(guān)鍵實(shí)時(shí)需求的關(guān)鍵因素。許多精心設(shè)計(jì)的零件和工具隨時(shí)可以提供幫助。有關(guān)本文中討論的部分的更多信息，請(qǐng)使用提供的鏈接訪問Digi-