兩個(gè)核心比一個(gè)好！有時(shí)，兩個(gè)不同的內(nèi)核比兩個(gè)相同的內(nèi)核更好！本應(yīng)用筆記解釋了原因。

介紹

當(dāng)大多數(shù)人想到多核處理器時(shí)，他們的腦海中會(huì)立即想到個(gè)人電腦、智能手機(jī)或其他高級(jí)計(jì)算設(shè)備。這些設(shè)備統(tǒng)一具有復(fù)雜的用戶界面和搶占模式操作系統(tǒng)。

當(dāng)我們閱讀新PC或新智能手機(jī)的評(píng)論時(shí)，通常會(huì)提到的一件事是內(nèi)核數(shù)量：“該設(shè)備中的CPU有四個(gè)內(nèi)核，最多支持八個(gè)線程。有了這些信息，我們知道操作系統(tǒng)可以將任務(wù)調(diào)度到任何內(nèi)核，以嘗試平衡整體工作負(fù)載。

在這種環(huán)境中，所有計(jì)算核心都盡可能相同。畢竟，必須針對(duì)不同的 CPU 架構(gòu)單獨(dú)編譯每個(gè)任務(wù)是沒(méi)有意義的。

但對(duì)于深度嵌入式處理器，擁有大量相同類(lèi)型的內(nèi)核可能不如擁有多個(gè)專(zhuān)用內(nèi)核那么理想。

差異化內(nèi)核案例

首先，在許多深度嵌入式應(yīng)用程序中，甚至可能沒(méi)有操作系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)人員決定哪些任務(wù)在哪些內(nèi)核上運(yùn)行、何時(shí)運(yùn)行以及運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。其次，主任務(wù)很可能在單個(gè)線程中運(yùn)行，任何其他內(nèi)核都將在那里運(yùn)行特定的專(zhuān)用任務(wù)。

在這些情況下，人們并不真正關(guān)心內(nèi)核是否都相同，一個(gè)CPU處理所有監(jiān)督任務(wù)，另一個(gè)從屬計(jì)算內(nèi)核處理專(zhuān)用任務(wù)。擁有在特定區(qū)域具有更多功能、使用更少功率或消耗更少芯片硅面積的專(zhuān)用內(nèi)核更有意義。

例如，考慮MAX32655。它是一款基于 Arm Cortex-M4 的微控制器，Arm Cortex-M4 是一款功能強(qiáng)大、備受推崇的單線程 CPU 內(nèi)核。MAX32655具有半兆字節(jié)閃存、128KRAM和許多外設(shè)，包括低功耗藍(lán)牙無(wú)線電。?

現(xiàn)在，就停在那里。低功耗藍(lán)牙可能聽(tīng)起來(lái)像是硬件功能，但它與軟件和硬件一樣多。你看，硬件實(shí)際上相當(dāng)簡(jiǎn)單：發(fā)射器和接收器必須具有一定的頻率捷變性，因?yàn)樗鼈儽仨氄{(diào)諧到四十個(gè)可能的通道中的任何一個(gè)，并且它們必須快速完成。發(fā)射器和接收器均可快速打開(kāi)和關(guān)閉以節(jié)省功率。他們必須處理高斯頻移鍵控調(diào)制和解調(diào)。不是微不足道的，但也不是特別具有挑戰(zhàn)性。

但是軟件 - 這可能是真正的挑戰(zhàn)！主機(jī)必須管理一整套協(xié)議——屬性協(xié)議、鏈路層控制和適應(yīng)協(xié)議、安全管理器協(xié)議等。并且有一個(gè)接口將主機(jī)連接到控制器層。正是這一層管理無(wú)線電硬件，也不是微不足道的。有一個(gè)設(shè)備管理器、鏈路管理器和鏈路控制器——這些功能塊將無(wú)線電硬件的細(xì)節(jié)抽象到主機(jī)協(xié)議。

關(guān)于BLE軟件堆棧的好消息是您不必編寫(xiě)它。在大多數(shù)環(huán)境中， 當(dāng)您指定特定的 BLE 設(shè)備時(shí)，軟件堆棧就會(huì)出現(xiàn).壞消息是BLE軟件堆棧要求很高。這并不是說(shuō)它需要特別大的處理器帶寬或存儲(chǔ)，但BLE堆棧中的時(shí)序至關(guān)重要。這意味著當(dāng)BLE需要完成某事時(shí)，需要立即完成！如果微控制器內(nèi)核已經(jīng)在執(zhí)行一些時(shí)間關(guān)鍵型功能，則必須提供一些東西！

這就是第二個(gè)核心的用武之地。主內(nèi)核被釋放出來(lái)，將其資源投入到用戶程序中，因?yàn)樗梢詫LE任務(wù)移交給第二個(gè)內(nèi)核。沒(méi)有延遲問(wèn)題，不用擔(dān)心BLE堆棧會(huì)在錯(cuò)誤的時(shí)刻中斷內(nèi)核。第二個(gè)獨(dú)立核心解決了很多問(wèn)題！

選擇合適的核心

第二個(gè)內(nèi)核對(duì)于運(yùn)行BLE堆棧是有意義的。但是選擇哪個(gè)核心呢？

一種選擇是使用第二個(gè)Arm Cortex-M4。M4帶來(lái)了很多資源。它是AMBA總線的原生版本，藍(lán)牙庫(kù)都針對(duì)Cortex-M系列內(nèi)核進(jìn)行了很好的編譯。那么，為什么不是第二個(gè) M4？

事實(shí)是，與Arm Cortex-M4一樣高效，它比運(yùn)行BLE堆棧的專(zhuān)門(mén)任務(wù)所需的CPU更多。更小，更慢，更適度的CPU會(huì)做得很好。但是哪個(gè) CPU？

向RISC-V（發(fā)音為risk-five）核心問(wèn)好！與Arm Cortex-M4一樣，它是一個(gè)基于RISC架構(gòu)的32位CPU。RISC，或簡(jiǎn)化指令集計(jì)算，是一種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)哲學(xué)，它斷言一小組簡(jiǎn)單的指令比一大組更復(fù)雜的指令更有效地執(zhí)行。在大多數(shù)情況下，RISC在很大程度上贏得了CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算）的爭(zhēng)論。但是CISC計(jì)算仍然有一個(gè)巨大的堡壘：x86架構(gòu)。大多數(shù)其他計(jì)算環(huán)境——以及幾乎所有嵌入式處理器——都采用了RISC。

在評(píng)估新的CPU內(nèi)核時(shí)，首先跳出的三件事是指令集架構(gòu)，寄存器補(bǔ)碼和程序員模型。下一節(jié)將探討RISC-V和Arm Cortex-M4之間的這些因素有何不同。

比較指令集

在查看指令集之前，請(qǐng)記住：像C這樣的高級(jí)語(yǔ)言不是計(jì)算機(jī)的母語(yǔ)。C 編譯器將程序轉(zhuǎn)換為一組由內(nèi)核執(zhí)行的機(jī)器指令。一個(gè) C 語(yǔ)句可以轉(zhuǎn)換為數(shù)十條機(jī)器指令。C編譯器已經(jīng)變得如此高效，以至于匯編語(yǔ)言編程，即一個(gè)語(yǔ)句完全轉(zhuǎn)換為一個(gè)機(jī)器指令，已經(jīng)成為一種失傳的藝術(shù)。

然而，C語(yǔ)句——或Python，或JavaScript，或其他高級(jí)語(yǔ)言——最終用原生機(jī)器代碼表達(dá)。因此，關(guān)注指令集的工作原理是有意義的。

Arm Cortex-M4基于ARMv7E-M指令集架構(gòu)。雖然Arm Cortex-M4是32位CPU，但ARMv7E-M指令集使用Thumb-2指令編碼，大多數(shù)情況下，這些是16位指令。這里有一個(gè)故事。

最初，Arm 指令集是 32 位的。盡管底層架構(gòu)是RISC，但指令集很豐富，但在代碼大小方面并不是特別有效。Arm在90年代中期提出了Thumb編碼，以解決這些關(guān)于指令集效率的擔(dān)憂。拇指指令的長(zhǎng)度為 16 位，與以前使用的 32 位編碼的子集非常接近。指令集效率更高，但留下了許多功能。

Thumb-2 于 2003 年推出，混合使用 16 位和 32 位編碼，在恢復(fù)一些 32 位編碼功能的同時(shí)保留了大部分代碼密度優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，這種方案有一個(gè)缺點(diǎn)：它會(huì)導(dǎo)致可變長(zhǎng)度指令集。但是今天，Thumb-2編碼已經(jīng)成熟且易于理解，實(shí)際上是Arm Cortex-M4內(nèi)核支持的唯一指令編碼。

相比之下，大多數(shù)RISC-V方案（包括Maxim的MAX32655中使用的實(shí)現(xiàn)方案）都使用純32位編碼。RISC-V支持可選的壓縮編碼，其術(shù)語(yǔ)為16位指令支持。但與 Arm Cortex-M4 中的 Thumb 指令編碼不同，它確實(shí)是可選的。

但是有什么指示呢？

ARMv7E-M和RISC-V指令集都支持負(fù)載存儲(chǔ)架構(gòu)。這意味著，算術(shù)和邏輯指令的操作數(shù)必須從內(nèi)存顯式加載到寄存器中，一旦執(zhí)行操作，結(jié)果必須顯式存儲(chǔ)回內(nèi)存。

負(fù)載存儲(chǔ)架構(gòu)是RISC內(nèi)核的標(biāo)志，但除此之外，ARMv7E-M指令集并沒(méi)有太多的“減少”。ARM指令集包含數(shù)十條指令和指令變體，具有條件執(zhí)行，作為指令操作數(shù)的移位，許多位和字節(jié)操作子指令以及多種內(nèi)存尋址模式。把這一切加起來(lái)，它使ARM內(nèi)核成為一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的邏輯。

RISC-V并非如此。RV32I指令集中只有40條基本指令。由于其中許多可以分組到指令族中，因此指令集變得更加易于理解：有六個(gè)分支指令，五個(gè)加載指令，三個(gè)存儲(chǔ)指令和兩個(gè)用于函數(shù)調(diào)用的“跳轉(zhuǎn)和鏈接”指令。把這些指令家庭放在一起，只有28個(gè)指令需要考慮。

為了使事情更簡(jiǎn)單，只有六種編碼格式：注冊(cè)到注冊(cè)、立即、上層立即、存儲(chǔ)、分支和跳轉(zhuǎn)。就是這樣！RISC-V編譯器的代碼生成部分很容易。

看看所有這些寄存器！

現(xiàn)在，寄存器補(bǔ)充：ARMv7E-M 架構(gòu)指定了 16 個(gè)寄存器，其中 13 個(gè)是通用寄存器。RISC-V架構(gòu)指定了32個(gè)寄存器，其中除一個(gè)寄存器外，其他所有寄存器都是通用的。以下是它們的工作原理。

臂寄存器命名為 R0 到 R15。但是前三個(gè)寄存器有特殊的用途：R15是程序計(jì)數(shù)器，對(duì)R15的任何寫(xiě)入實(shí)際上都是跳轉(zhuǎn)到該位置。R14是鏈路寄存器。執(zhí)行分支和鏈接（函數(shù)調(diào)用）時(shí)，返回地址存儲(chǔ)在 R14 中。R13 是堆棧指針。PUSH指令遞減R13并將指定寄存器中的值存儲(chǔ)到降序存儲(chǔ)器位置;POP 指令從升序內(nèi)存位置加載值并遞增 R13。

RISC-V寄存器被命名為x0到x31，只有一個(gè)用戶可見(jiàn)的特殊用途寄存器：x0在讀取時(shí)始終返回零值，寫(xiě)入x0的任何內(nèi)容都會(huì)被丟棄。這對(duì)簡(jiǎn)化指令集編碼來(lái)說(shuō)是一個(gè)真正的福音。

所有其他寄存器都是真正的通用寄存器。按照慣例，x1 用作返回地址（Arm 稱(chēng)之為鏈接寄存器），x2 用作堆棧指針，但硬件中沒(méi)有任何內(nèi)容可以強(qiáng)制執(zhí)行（除非在核心設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了壓縮擴(kuò)展，但那是另一回事）。雖然 ARM BL（分支和鏈接）指令始終將返回地址存儲(chǔ)在 R14 中，但 RISC-V JAL（跳轉(zhuǎn)和鏈接）指令允許您指定獲取返回地址的寄存器。

RISC-V指令集中似乎缺少一些指令，例如寄存器到寄存器的移動(dòng)操作！相反，一個(gè)寄存器的內(nèi)容使用 ADDI 指令移動(dòng)到另一個(gè)寄存器：ADDI rd， rs， 0 將 rs 的內(nèi)容添加到值零并將結(jié)果存儲(chǔ)在 rd 中，從而有效地將 rs 中的任何內(nèi)容移動(dòng)到 rd。整潔！

您可能認(rèn)為 ADDI 是 MOVE 的糟糕替代品，因?yàn)樗阈g(shù)指令會(huì)修改標(biāo)志寄存器，而 MOVE 不會(huì)。在RISC-V內(nèi)核中，這不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有標(biāo)志寄存器！相反，分支指令 - BEQ（如果相等則分支）、BNE（如果不等于則分支）、BLT（如果小于則為分支）、BGE（如果大于或等于則為分支）、BLTU（如果小于，則為分支，無(wú)符號(hào)）和 BGEU（如果大于或等于，則為分支，無(wú)符號(hào)）——都接受兩個(gè)寄存器說(shuō)明符，執(zhí)行比較，然后有條件地獲取分支。

但是，如果結(jié)果為零，如何分支？只需寫(xiě) BEQ rs x0 .請(qǐng)記住，x0 始終包含值零。這使得編寫(xiě)測(cè)試零、非零、負(fù)或正值的分支指令變得容易。

因此，雖然RISC-V的指令集和程序員模型對(duì)于那些習(xí)慣于Arm指令集的人來(lái)說(shuō)可能看起來(lái)有點(diǎn)陌生，但它確實(shí)功能強(qiáng)大且完整。

這些內(nèi)核是如何堆疊的？

所以，現(xiàn)在我們來(lái)到一個(gè)大問(wèn)題：為什么要使用RISC-V內(nèi)核來(lái)運(yùn)行BLE堆棧？

答案在于可定制性。所有商用CPU內(nèi)核都允許一定程度的定制，這也適用于Arm Cortex-M系列。不過(guò)，一般來(lái)說(shuō)，Arm 內(nèi)核中提供的自定義選項(xiàng)是大粒度的。例如，它是否具有浮點(diǎn)運(yùn)算或嵌入式跟蹤？

相比之下，RISC-V內(nèi)核具有芯片設(shè)計(jì)人員可以啟用或禁用的一整套擴(kuò)展：三種浮點(diǎn)單元（單精度，雙精度和四精度），原子指令，整數(shù)乘除法，壓縮指令以節(jié)省代碼空間，以及其他規(guī)格尚未凍結(jié)。

在設(shè)計(jì)運(yùn)行BLE控制器堆棧的內(nèi)核時(shí)，RISC-V內(nèi)核只需整數(shù)乘法和除法擴(kuò)展即可構(gòu)建。沒(méi)有必要包含其他功能， 因?yàn)樗鼈儗?duì)運(yùn)行 BLE 堆棧沒(méi)有任何幫助.因此，沒(méi)有理由占用硅空間并消耗支持這些功能的功率。我們可以比主 Arm Cortex-M4 更慢地為核心計(jì)時(shí)。更慢地對(duì)內(nèi)核進(jìn)行計(jì)時(shí)可以降低內(nèi)核的功耗。

這就是為什么提前知道第二個(gè)內(nèi)核的用途有助于芯片設(shè)計(jì)人員并有助于創(chuàng)造最佳的微控制器體驗(yàn)！

審核編輯：郭婷