多核异构通信框架（RPMsg-Lite）

概要

随着科技的飞速发展，计算需求日益复杂和多样化，传统的单核处理器已难以满足所有应用场景的需求。在这样的背景下，异构多核系统应运而生，成为推动计算领域进步的重要力量。异构多核系统不仅提高了计算效率，还优化了能耗，为众多领域带来了革命性的变革。

异构多核系统是指在一个芯片上集成多种不同类型的处理器核心，这些核心可能采用不同的指令集架构（ISA），具备不同的性能特性和功耗要求。这些核心可以是高性能的通用处理器核心，也可以是专为特定任务设计的专用核心，如图形处理单元（GPU）、数字信号处理器（DSP）或神经网络处理器（NPU）等。

异构多核系统的特点主要体现在以下几个方面：

性能提升：通过结合不同类型的处理器核心，异构多核系统能够充分发挥各核心的优势，实现计算性能的大幅提升。例如，高性能核心可以处理复杂的计算任务，而专用核心则可以加速特定类型的数据处理。

能效优化：异构多核系统能够根据任务需求动态调整核心的使用，避免资源浪费和不必要的功耗。对于计算密集型任务，可以使用高性能核心；而对于数据密集型任务，则可以利用专用核心进行高效的数据处理，从而实现能效比的最大化。

灵活性：异构多核系统能够适应多样化的应用场景，通过灵活的任务调度和核心分配，满足不同任务的需求。这使得系统能够同时处理多种类型的任务，提高整体计算效率。

并行处理：不同类型的核心可以并行工作，实现任务级别的并行处理。这种并行性可以进一步提高系统的整体性能，缩短计算时间。

多核通信

市面目前多核异构芯片形态：

形态	型号	核心组成	方案
ARM MCU系列	STM32H747XIH6U	ARM Cortex-M7 + ARM Cortex-M4	RTOS(裸机) + RTOS(裸机)
ARM MPU系列	RK3568	四核 ARM Cortex-A55	1. 核心0：Linux + 核心1~3：RTOS(裸机) 2. 核心0~2(SMP)：Linux + 核心3：RTOS(裸机)
ARM MPU系列 + ARM MCU系列	STM32MP157	双核ARM Cortex-A7 + ARM Cortex-M4	双核ARM Cortex-A7：Linux(RTOS) + ARM Cortex-M4：RTOS(裸机)
ARM MPU系列 + RISC-V系列	V853	ARM Cortex-A7 + RISC-V	ARM Cortex-A7：Linux(RTOS) + RISC-V：RTOS(裸机)
RISC-V系列 + DSP系列 + ARM MCU系列	R128	RISC-V + HiFi5 DSP + ARM M33	RISC-V：RTOS + HiFi5 DSP：裸机 + ARM M33：RTOS

由于异构多核系统中集成了多种不同类型的处理器核心，这些核心之间需要进行高效的数据通信和协同工作，以确保整体系统的性能和稳定性。因此，通信机制在异构多核系统中扮演着至关重要的角色。为了确保核心间的顺畅通信，异构多核系统采用了多种通信协议和接口技术，如共享内存、消息传递接口（MPI）、高级可扩展接口（AEI）等。这些通信机制使得不同核心之间能够快速地传输数据、共享资源和协同执行任务，从而实现整体系统的高效运行。

异构多处理系统中往往会形成主-从（Master-Remote）结构。主核上的系统先启动，并负责准备好运行环境，然后根据需要或者一定规则启动从核并对其进行管理。主-从核心上的系统都准备好之后，他们之间就通过 IPC（Inter Processor Communication）方式进行通信，而 RPMsg 就是 IPC 中的一种。RPMsg，全称 Remote Processor Messaging，它定义了异构多核处理系统（AMP，Asymmetric Multiprocessing）中核与核之间进行通信时所使用的标准二进制接口。

常见的多核通信框架：OpenAMP, RPMsg，rpmsg-lite等，本片文章的主角是：rpmsg-lite

RPMsg-Lite介绍

RPMsg-Lite组件，它是远程处理器消息传递 (RPMsg) 协议的轻量级实现。RPMsg 协议定义了一个标准化的二进制接口，用于在异构多核系统中的多个核之间进行通信。与开放非对称多处理 (OpenAMP) 框架(https://github.com/OpenAMP/open-amp)的 RPMsg 实现相比，RPMsg-Lite 减少了代码大小、简化了 API 并改进了模块化。在较小的基于 Cortex-M0+ 的系统上，建议使用 RPMsg-Lite。RPMsg-Lite 是由 NXP Semiconductors 开发的开源组件，并在 BSD 兼容许可下发布。

RPMsg-Lite官方仓库：https://github.com/nxp-mcuxpresso/rpmsg-lite

RPMsg-Lite官方文档：https://nxp-mcuxpresso.github.io/rpmsg-lite

RPMsg-Lite源码目录：

.
├──common
│└──llist.c
├──include
│├──environment
││└──rt-thread
││└──rpmsg_env_specific.h
│├──llist.h
│├──platform
││└──RK3568
││├──rpmsg_config.h
││└──rpmsg_platform.h
│├──rpmsg_compiler.h
│├──rpmsg_default_config.h
│├──rpmsg_env.h
│├──rpmsg_lite.h
│├──rpmsg_ns.h
│├──rpmsg_queue.h
│├──virtio_ring.h
│└──virtqueue.h
├──rpmsg_lite
│├──porting
││├──environment
│││└──rpmsg_env_threadx.c
││└──platform
││└──RK3568
││└──rpmsg_platform.c
│├──rpmsg_lite.c
│├──rpmsg_ns.c
│└──rpmsg_queue.c
└──virtio
└──virtqueue.c

创建目的

开发RPMsg-Lite的原因有多种：①是需要与RPMsg协议兼容的通信组件占用空间小；②是OpenAMP RPMsg实现的广泛API的简化。RPMsg协议没有记录，其唯一定义是由Linux内核和旧版OpenAMP实现给出的。这已经随着基于无锁共享内存的多核通信协议的出现而改变，它是一个标准化协议，允许多种不同的实现共存并且仍然相互兼容。

基于小型MC 的系统通常不实现动态内存分配。RPMsg-Lite中静态API的创建进一步减少了资源使用。动态分配不仅会额外增加5KB的代码大小，而且通信速度会变慢且确定性较差，这是动态内存引入的一个特性。下表显示了OpenAMP RPMsg实现和新RPMsg-Lite实现之间的一些粗略比较数据：

组件/配置	Flash[B]	RAM[B]
OpenAMP RPMsg / Release (reference)	5547	456 + dynamic
RPMsg-Lite / Dynamic API, Release	3462	56 + dynamic
Relative Difference [%]	~62.4%	~12.3%
RPMsg-Lite / Static API (no malloc), Release	2926	352
Relative Difference [%]	~52.7%	~77.2%

框架说明

RPMsg-Lite的实现可以分为三个子组件。核心组件位于rpmsg_lite.c中。其中rpmsg_ns.c和rpmsg_queue.c是可选的，两个可选组件用于实现阻塞接收API（在rpmsg_queue.c中和动态“命名”端点创建和删除公告服务（在rpmsg_ns.c中）。

实际的“媒体访问”层在virtqueue.c中实现，它是与 OpenAMP 实现共享的少数文件之一。该层主要定义了共享内存模型，内部定义了vring或者virtqueue等用到的组件。

移植层分为两个子层：环境层和平台层。第一个子层将针对每个环境单独实现。（裸机环境已经存在并在rpmsg_env_bm.c中实现，FreeRTOS 环境在rpmsg_env_freertos.c等中实现）只有与所使用的环境匹配的源文件才会包含在目标应用程序项目中。第二个子层在rpmsg_platform.c中实现，主要定义中断启用、禁用和触发的低级函数。情况如下图描述：

核心子组件

该子组件实现了阻塞发送 API 和基于回调的接收 API。RPMsg 协议是传输层的一部分。这是通过使用所谓的端点来实现的。每个端点可以分配不同的接收回调函数。然而，需要注意的是，在当前的设计中，回调是在中断环境中执行的。因此，不鼓励在回调中执行某些操作（例如内存分配）。下图显示了 RPMsg 在类 ISO/OSI 分层模型中的作用：

队列子组件（可选）：该子组件是可选的，需要在环境移植层中实现env_*_queue()函数。它使用阻塞接收API，这在RTOS环境中很常见。它支持复制和非复制阻塞接收功能。

名称服务子组件（可选）：该子组件是RPMsg的Linux内核实现中存在的名称服务的最小实现。它允许通信节点发送有关“命名”端点（即通道）创建或删除的公告，并在应用程序回调中采取任何用户定义的操作来接收这些公告。用于接收名称服务公告的端点地址被任意固定为53(0x35)。

应用

应用程序应将 /rpmsg_lite/lib/include 目录放入包含路径，并在应用程序中包含rpmsg_lite.h头文件，或者选择包含rpmsg_queue.h和/或rpmsg_ns.h文件。RPMsg-Lite提供两个移植子层，但如果计划使用其他的RTOS，您需要实现其他RTOS的环境层（例如，rpmsg_env_xxxrtos.c）并将其包含在项目构建中。

堆栈的初始化是通过调用主端的rpmsg_lite_master_init()和远程端的rpmsg_lite_remote_init()来完成的。该初始化函数必须在任何RPMsg-Lite API调用之前调用。在init之后，需要创建一个通信端点，否则通信是不可能的。通过调用rpmsg_lite_create_ept()函数来完成。可以选择接受最后一个参数，在该参数中创建端点的内部上下文，以防RL_USE_STATIC_API选项设置为1。如果不是，堆栈将在内部调用env_alloc()为其分配动态内存。如果要使用基于回调的接收，则使用用户定义的回调数据指针将ISR回调注册到每个新端点。如果需要阻塞接收（在 RTOS 环境的情况下），则必须在调用rpmsg_lite_create_ept()之前调用rpmsg_queue_create()函数。队列句柄作为回调数据参数传递给端点创建函数，并且回调函数设置为rpmsg_queue_rx_cb()。然后可以使用 rpmsg_queue_receive() 函数在队列对象上侦听传入消息。rpmsg_lite_send()函数用于向对方发送消息。

RPMsg-Lite 还为发送和接收操作实现无复制机制。这些方法需要在应用程序中使用时必须考虑的细节。

无复制发送机制：该机制允许发送消息，而无需将数据从应用程序缓冲区复制到共享内存中的 RPMsg/virtio 缓冲区。要执行的无复制发送步骤的顺序如下：

调用rpmsg_lite_alloc_tx_buffer()函数获取virtio缓冲区并将缓冲区指针提供给应用程序。

将要发送的数据填充到预先分配的virtio缓冲区中。确保填充的数据不超过缓冲区大小（作为rpmsg_lite_alloc_tx_buffer()大小输出参数提供）。

调用rpmsg_lite_send_nocopy()函数将消息发送到目标端点。考虑缓存功能和virtio缓冲区对齐。

no-copy-receive机制：该机制允许读取消息，而无需将数据从共享内存中的virtio缓冲区复制到应用程序缓冲区。要执行的无复制接收步骤的顺序如下：

调用rpmsg_queue_recv_nocopy()函数获取指向接收数据的virtio缓冲区指针。

直接从共享内存中读取接收到的数据。

调用rpmsg_queue_nocopy_free()函数释放virtio缓冲区并使其可用于下一次数据传输。

用户有责任在取消初始化时销毁他创建的任何RPMsg-Lite对象。为此，函数rpmsg_queue_destroy()用于销毁队列，rpmsg_lite_destroy_ept()用于销毁端点，最后，rpmsg_lite_deinit()用于取消初始化RPMsg-Lite核间通信堆栈。在取消初始化队列之前，使用队列取消初始化所有端点。否则，您将主动使已使用的队列句柄失效，这是不允许的。RPMsg-Lite不会在内部检查这一点，因为它的主要目标是轻量级。

配置选项

RPMsg-Lite可以在编译时进行配置。默认配置在rpmsg_default_config.h头文件中定义。用户可以通过包含具有自定义设置的rpmsg_config.h文件来自定义此配置。下表总结了所有可能的 RPMsg-Lite 配置选项。

配置选项	默认值	用法
RL_MS_PER_INTERVAL	(1)	用于轮询的非阻塞 API 函数中使用的延迟（以毫秒为单位）。
RL_BUFFER_PAYLOAD_SIZE	(496)	缓冲区有效负载的大小，它必须等于 (240, 496, 1008, ...) [2^n - 16]
RL_BUFFER_COUNT	(2)	缓冲区的数量，必须是 2 的幂 (2, 4, ...)
RL_API_HAS_ZEROCOPY	(1)	启用/禁用零复制 API 函数。
RL_USE_STATIC_API	(0)	启用/禁用静态 API 函数（无动态分配）。
RL_CLEAR_USED_BUFFERS	(0)	在返回到启用/禁用的空闲缓冲区池之前清除已使用的缓冲区。
RL_USE_MCMGR_IPC_ISR_HANDLER	(0)	当启用时，IPC 中断由多核管理器（IPC 中断路由器）管理；当禁用时，RPMsg-Lite 自行管理 IPC 中断。
RL_USE_ENVIRONMENT_CONTEXT	(0)	启用后，环境层使用自己的上下文。某些环境需要 (QNX)。默认值为 0（无上下文，节省一些 RAM）。
RL_DEBUG_CHECK_BUFFERS	(0)	启用后，将检查传递给rpmsg_lite_send_nocopy()和rpmsg_lite_release_rx_buffer()函数（由 RL_API_HAS_ZEROCOPY 配置启用）的缓冲区指针，以避免传递无效的缓冲区指针。默认值为 0（禁用）。请勿在 RPMsg-Lite 到 Linux 配置中使用。
RL_ALLOW_CONSUMED_BUFFERS_NOTIFICATION	(0)	启用后，每次接收到的缓冲区被消耗并放入可用缓冲区队列时，都会通知对方。在 RPMsg-Lite 到 Linux 配置中启用此选项，以允许解除 Linux 阻塞发送的阻塞。默认值为 0（RPMsg-Lite 到 RPMsg-Lite 通信）。
RL_ALLOW_CUSTOM_SHMEM_CONFIG	(0)	它允许定义自定义共享内存配置并替换 rpmsg_config.h 中与共享内存相关的全局设置。当多个实例并行运行但需要不同的共享内存排列（vring 大小和对齐、缓冲区大小和计数）时，这非常有用。默认值为 0（所有 RPMsg_Lite 实例使用由公共配置宏定义的相同共享内存排列）。
RL_ASSERT	请参阅rpmsg_default_config.h	断言实施。

审核编辑 黄宇