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嵌入式并行多线程处理器,了解一下!


大家好,我是杂烩君。

最近,朋友送了块小板子,板子上的MCU是个很有意思的东西——并行多线程处理器MC3172 。

通俗地说,这颗MCU的内部实现了类似RTOS多线程的功能。但是MC3172 编程与RTOS编程的最大区别就是:

  • MC3172多线程绝对并行运行,没有切换抖动及开销。
  • MC3172无线程优先级、优先级反转、死锁等概念。
  • MC3172所有中断都可以安排专门线程处理,没有中断嵌套和延迟。
  • MC3172各线程同步并行运行,互不阻塞,互不干扰。
  • MC3172线程响应的确定性相对于RTOS更为精确。

MC3172简介

MC3172 是厦门感芯科技的一款32 位 RISC并行多线程实时处理器。基于RISC-V RV32IMC 指令集, 100%单周期指令, 最高200MHz主频, 3.37coremark/MHz。可以代替实时操作系统, 实现程序的模块化与复用性。


MC3172 特性:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_嵌入式

MC3172实践

MC3172的开发环境使用的是国产软件——MounRiver Studio。


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_嵌入式_02


我们简单看一下MC3172的demo工程:

嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_单片机_03

1、MC3172文件夹

MC3172存放MC3172编程核心文件。

线程配置工具可对各线程进行配置:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_嵌入式_04

可以配置线程时钟源、频率、栈空间、存储器分配等信息。

MC3172支持64路线程同步并行运行,  其中分为4个线程组,每个线程组16线程,每个线程组里的线程编号如上图所示。其中,不使用的线程可以设置为空闲线程,空闲线程完全不运行,不产生功耗。

每个线程都有自己独立的栈空间 ,在数据空间允许范围内可随意分配,但需要确保所有非空闲线程所占的数据空间不超过数据空间的大小。

MC3172.h存放外设地址相关宏定义及其配置宏,如:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_多线程_05

类似于ST的stm32fxxx.h。

thread_config.h为线程配置文件,由线程配置工具生成:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_java_06

MC3172.lds为链接脚本,由线程配置工具生成


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_java_07

thread_start.c为启动线程相关的源文件:

#ifndef THREAD_START_C
#define THREAD_START_C
#include "./MC3172.h"
#include "./thread_config.h"

void thread1_initial(void)
{
#ifdef ROTHD_THREAD1_VALID
extern void thread1_main(void);
rothd_set_sp_const(ROTHD_THREAD1_STACKCFG_VALUE|0x20000000);
thread1_main();
#endif
}
void thread2_initial(void)
{
#ifdef ROTHD_THREAD2_VALID
extern void thread2_main(void);
rothd_set_sp_const(ROTHD_THREAD2_STACKCFG_VALUE|0x20000000);
thread2_main();
#endif
}

// 省略部分代码......
void (*thread_initial_pointer[64]) (void)={
&thread0_initial,
&thread1_initial,
&thread2_initial
// 省略部分代码......
}

void thread_start(void)
{
(*thread_initial_pointer[THREAD_ID])();
}

程序运行的入口函数为:​thread_start


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_单片机_08

thread_start里的THREAD_ID为线程ID值,直接从0x50000000地址中读出:

#define THREAD_ID (*(volatile u8*)(0x50000000))

猜测:0x50000000地址里的ID值会不断变化,通过某种机制跳转,遍历执行thread_initial_pointer函数指针数组里的各个线程函数。

threadx_initial里初始化线程栈,并执行线程主体,如

void thread_end(void)
{
while(1);
}

void thread1_main(void)
{
while(1){
//user code section
}
thread_end();
}

这是用户代码,我们可以在各个线程主体函数里边编写我们的应用代码。

2、Release文件夹

Release文件夹里存放的是编译生成的固件程序,通过 ​开发板程序下载工具


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_单片机_09

3、USER_CODE文件夹

USER_CODE文件夹存放用户代码:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_多线程_10

MC3172 是一颗并行并行多线程实时处理器,我们下面来看看其多线程并行执行的特性。

我们编写两个线程,线程进行相同的配置,两个线程分别对两个IO进行翻转,测试代码如:

void LED0_GPIOA_PIN0_TEST(void)
{
// 启动GPIOA并设置特权组及时钟频率
INTDEV_SET_CLK_RST(GPIOA_BASE_ADDR,(INTDEV_RUN|INTDEV_IS_GROUP0|INTDEV_CLK_IS_CORECLK_DIV2));

// 使能GPIOA PIN0引脚
GPIO_SET_OUTPUT_EN_VALUE(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN0, GPIO_SET_ENABLE);

while(1)
{
// GPIOA PIN0输出1
GPIO_SET_OUTPUT_PIN_TO_1(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN0);

// 延时
for (u32 var = 0; var < 5000; ++var)
{
NOP();
}

// GPIOA PIN0输出0
GPIO_SET_OUTPUT_PIN_TO_0(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN0);

// 延时
for (u32 var = 0; var < 5000; ++var)
{
NOP();
}
}
}

void LED1_GPIOA_PIN1_TEST(void)
{
// 启动GPIOA并设置特权组及时钟频率
INTDEV_SET_CLK_RST(GPIOA_BASE_ADDR,(INTDEV_RUN|INTDEV_IS_GROUP0|INTDEV_CLK_IS_CORECLK_DIV2));

// 使能GPIOA PIN1引脚
GPIO_SET_OUTPUT_EN_VALUE(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN1, GPIO_SET_ENABLE);

while(1)
{
// GPIOA PIN1输出1
GPIO_SET_OUTPUT_PIN_TO_1(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN1);

// 延时
for (u32 var = 0; var < 5000; ++var)
{
NOP();
}

// GPIOA PIN1输出0
GPIO_SET_OUTPUT_PIN_TO_0(GPIOA_BASE_ADDR, GPIO_PIN1);

// 延时
for (u32 var = 0; var < 5000; ++var)
{
NOP();
}
}
}




void thread_end(void)
{
while(1);
}



void thread0_main(void)
{
while(1){
//user code section
}
thread_end();
}



void thread1_main(void)
{
while(1){
//user code section
LED0_GPIOA_PIN0_TEST();
}
thread_end();
}



void thread2_main(void)
{
while(1){
//user code section
LED1_GPIOA_PIN1_TEST();
}
thread_end();
}

烧录程序,使用逻辑分析仪抓取GPIOA_PIN0及GPIOA_PIN1引脚电平变化如:


嵌入式并行多线程处理器,了解一下!_java_11

可见,这两个波形是完全同步的,CPU同时在干两件事情,实现了与RTOS多线程同样的效果。

心得与总结

嵌入式开发,是软件+硬件结合,两者互补。如果硬件功能很强大,则软件可能可以设计得比较简单;如果硬件功能有限,则软件方面可能得考虑比较多的方面。

比如:

  • 一些软件算法,需要多传感器数据输入进行融合,则功能实现可能比较简单,但实际可能为了降成本,减少一些传感器,这时候需要实现稳定可靠的功能,则软件算法上得下更大的功夫。
  • 对于一些不太复杂的数字信号处理,在通用的MCU上就可以处理,但对于一些比较复杂的数字信号处理,则可能使用一些带有DSP处理器的MCU。

特别的,对于芯片内部IC电路来说,如果内部有相关模块可以实现某些功能的话,则对应的软件编程会简单很多,而且硬件实现的比软件实现的效率要高。

硬件实现的多线程编程确实优于RTOS编程,但实际开发中产品软硬件架构需要考虑多个方面,比如芯片的稳定性以及软件生态等方面。

并行多线程实时处理器是个好东西,但目前并行多线程实时处理器还处于起步阶段,还有很多东西需要完善,需要我们多支持与传播,只有生态起来了,将来我们才有机会用得上。

以上就是本次的分享,如果觉得文章有帮助,麻烦帮忙转发,谢谢!


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