Arm cortex-A核与M核通信 | remoteproc框架的基本使用

1.了解M核和A核

• 为了更容易理解核间通信，我们首先需要对M核和A核有一个简单的认识。多核异构处理器是一种集成多种类型处理核心的芯片架构，旨在通过任务分工实现高性能和低功耗的平衡。通过M核和A核的结合，可以将高性能处理功能与实时控制和效率相结合。
• 常见的组合就包括高性能核（A核，如ARM Cortex-A），和低功耗核（M核，如ARM Cortex-M核）
  • A 核属于 MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元），MPU专注于计算能力，需要外接内存、外设等组件，直接放代码是运行不了的，需要运行完整的操作系统（比如Linux、Android）。
  • M 核属于MCU（Micro Controller Unit，微控制器单元），MCU强调低功耗、实时性和成本敏感场景。就比如我们常见的单片机stm32、51单片机都是MCU。通常运行RTOS（实时操作系统）或者裸机程序。

为什么出现A核和M核的结合，可以给出下面的解释：

在嵌入式系统设计中，不同架构处理器间的数据交互机制直接影响系统整体性能。传统解决方案存在显著的技术瓶颈：采用UART、I2C等串行总线时，其固有的带宽限制难以满足现代应用对实时数据吞吐量的需求；而传统并口方案虽可提升传输速率，却需要消耗大量GPIO资源，导致PCB布局复杂度增加和BOM成本上升。

为突破这一技术困境，新一代多核异构处理器通过架构创新实现了性能与成本的平衡。这类芯片采用ARM big.LITTLE理念的演进架构，将Cortex-A系列应用处理器与Cortex-M系列实时控制器集成于单晶圆，通过高速片上总线（如AXI）实现异构核间通信。典型代表包括：
- NXP i.MX8系列：采用Arm CoreLink NIC-400互连架构，实现A72+M7核间延迟<200ns
- 瑞萨RZ/G2L：创新性采用双通道OCRAM共享内存，支持A55核与M33核的零拷贝数据传输
- TI AM62x：集成专用MSMC缓存控制器，确保A53核与R5F核的缓存一致性

这种异构架构的关键优势在于：
- 物理层优化：消除片外总线传输，将通信延迟降低2个数量级
- 资源复用：共享外设控制器，减少40%以上的引脚占用
- 能效提升：通过任务卸载机制，降低整体功耗30%以上
- 实时保障：M核独立处理中断敏感型任务，确保系统实时响应性
当前这类处理器已广泛应用于工业物联网网关、智能座舱域控制器等场景，有效解决了传统架构在边缘计算设备中面临的性能与成本矛盾

2. 核间通信的三种方式

本文主要篇幅具体是说驱动层通过 RPMsg 和 remoteproc 框架 实现核间通信，其他暂简约概述。

2.1 硬件层——共享内存通信

共享内存通信是多核系统中使用的一种方法，其中多个处理器内核（如 Cortex-A 和 Cortex-M 内核）共享一个公共内存区域。
基本思想是拥有一部分内存，所有参与的内核都可以访问，使它们能够读取和写入共享变量。

2.2 驱动层——RPMSG 多点通信

RPMsg（Remote Processor Messaging），即远程处理器消息传递，是一个框架，支持在多核系统中实现主处理器（例如 Cortex-A）和多个从处理器（例如 Cortex-M）之间的通信。
虽然 RPMSG 使用共享内存作为其流程的一部分，但它通过一个更加用户友好的界面来回发送数据。还可以使用 remoteproc 框架 来控制其他内核 （开机/关机、加载固件），并使用 RPMSG 与远程内核通信。

1）什么是 remoteproc 框架？

远程处理器 （RPROC） 框架允许不同的平台/架构控制（开机、加载固件、关机）远程处理器，同时抽象出硬件差异。此外，它还提供监控和调试远程协处理器的服务。

remoteproc 框架支持 2 种独占格式：

• ELF 格式：Linux remoteproc 框架支持 ELF 格式
• TEE 格式：OP-TEE remoteproc 框架支持 TEE 格式

有三种方法可以加载和启动远程处理器固件：

• 通过 sysFS 接口启动固件。（本文重点介绍）
• 在 remoteproc 驱动程序探测时自动启动固件（STMicroelectronics 不推荐）。
• 在引导期间（在 Linux 引导之前）提前引导固件。

参考：Linux remoteproc 框架概述

2）怎么使用 remoteproc 框架？

• 首先，我们可以通过下面这个指令查看该目录下的文件，这些文件是 Linux remoteproc 框架提供的用户空间接口，用于管理和监控远程处理器（如 Cortex-M 核或 DSP）。会在后面提到几个重要接口的使用，比如state可以查看改写从核的状态

ls /sys/class/remoteproc/remoteproc0/consumers device firmware name power state subsystem suppliers uevent

• Linux 的 remoteproc 框架默认从 /lib/firmware 目录加载远程处理器的固件文件（如 Cortex-M 核的 .elf 文件）。
  所以如果我们已经在自己的编译平台构建生成了可执行文件 *.elf，可以通过scp命令把它放入lib/firmware目录下。
  scp [源文件地址] [用户名]@[目标ip]:/lib/firmware

scp E:\\...\\GCC\\Release\\Hello_World.elf [user_name]@[ip]:/lib/firmware

• 查看当前远程处理器（M核）的状态state（我们前面提到的remoteproc提供的用户接口）：offline/running 状态
  • offline 表示从核（M 核）当前未运行任何固件，其资源（内存、外设等）处于可配置状态。在开始使用远程处理器之前，请确保其状态为offline，否则会出错

# 查看当前 M 核状态cat /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state offline

• 更新固件：现在就可以加载要上传的固件*.elf，将其名称写入/remoteproc/remoteprocX/firmware

echo <firmware>.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware 

• 重启从核（M核）以应用新配置：使用新固件启动远程处理器，写入start到文件state即可

echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state  

• 要停止远程处理器，类似的只需写入stop到文件state即可。

echo stop > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state  

参考：How to Use RemoteProc

2.3 应用层——双核通信实现方式

在应用层，对A核可使用open、write和read函数对 /dev下设备文件进行调用；对M核，可使用rpmsg_lite_remote_init、rpmsg_lite_send和rpmsg_queue_recv函数进行调用，不做重点阐述。
参考：兼具A核和M核的多核异构处理器，A核与M核如何通讯