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AMP 异构 功能简介

V821芯片包含两个CPU。一个是主核心RISC-V CPU，运行Tina Linux系统，为芯片主系统；一个是RISC-V MCU，运行FreeRTOS系统，主要功能是提供通用算力补充、辅助 Linux 实现休眠唤醒、低功耗管理以及 WIFI 相关功能。

这些不同架构的核心以及他们上面所运行的软件组合在一起，就成了 AMP 系统 （Asymmetric Multiprocessing System, 异构多处理系统）。

为了多核心协同工作，对于需要异构多核通信框架需要满足以下功能：

  1. 隔离核间差异，把一部分服务部署在一个核上，另一部分服务部署在另外的核上，应用层代码只需通过标准接口来申请服务，其对底层服务具体在哪个核上实现无感知。
  2. 同一个核，既可作为远程服务端，也可以作为客户端。

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V821 异构启动引导​

V821与之前的芯片有所不同，其启动核心是RISC-V MCU，通过RISC-V MCU来引导RISC-V CPU主核心启动。所以当系统上电时，芯片先启动 MCU 核，然后 MCU 核加载一段很小的代码启动 CPU 大核，大核继续执行下面的启动任务，此时小核会进入休眠模式，等待大核将 RTOS 固件加载给小核运行。详细启动流程如下：

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  1. 首先，由芯片内部的BROM在RISC-V MCU上运行，并寻找启动介质（SDCARD/EMMC/SPI-NOR/SPI-NAND），并加载“BOOT0”（包含E907_BOOT和BOOT0）到 SRAM，然后跳转到 E907_BOOT 执行。
  2. E907_BOOT 启动 RISC-V CPU 并使其跳转到 BOOT0 执行。
  3. BOOT0 初始化 DRAM，从 FLASH 加载 OpenSBI、UBOOT、RTOS 到 DRAM。其中 RTOS 引导在 RISC-V MCU 上运行，此外引导 OpenSBI 在 RISC-V CPU 上运行。
  4. UBOOT最终加载引导Linux内核。

安全启动方案​

对于安全启动方案，由于 SBOOT 不具备校验小核证书的能力，所以小核是由 U-Boot 引导加载的。SBOOT 只加载并校验 U-Boot 然后跳转执行 U-Boot。不加载小核和启动小核。

RTOS 固件​

固件文件的后缀名为 .bin，一般放置于 device/config/chips/v821/bin/amp_rv0.bin 内，虽然后缀名是 .bin 但是实际上是一个经过 strip 后的 ELF 文件，并非经过 objcopy 后的 .bin 文件。

SDK里小核固件保存的路径可以位于这些地方：

bin/*.bin
configs/*/bin/*.bin
configs/*/*/bin/*.bin
configs/*/*/*/bin/*.bin

如果后面的路径文件存在，它会覆盖前面路径中的文件。

示例说明​

  1. 路径 1 device/config/chips/v821/bin/amp_rv0.bin

    这个文件位于 bin 文件夹内，符合第一个路径模式 bin/*.bin，表示主目录下的 bin 文件夹。

  2. 路径 2 device/config/chips/v821/configs/perf2/bin/amp_rv0.bin

    这个文件位于 configs/perf2/bin/ 路径下，符合第二个路径模式 configs/*/bin/*.bin。 假设该路径下的文件与第一个路径模式中的文件 amp_rv0.bin 重名，则此文件会覆盖第一个文件。

文件覆盖规则​

  • 如果多个路径模式匹配到相同文件（例如 amp_rv0.bin），后面的路径会覆盖前面的文件。
    • 例如，device/config/chips/v821/configs/perf2/bin/amp_rv0.bin 将覆盖 device/config/chips/v821/bin/amp_rv0.bin。

通过这样的路径匹配与覆盖规则，可以精确控制文件的加载顺序与优先级。

AMP 软件框架介绍​

从系统架构的角度来看，AMP框架主要由Linux端和RTOS端两部分组成。Linux端通过三大组件协同工作来实现异构通信，RTOS端则采用OPENAMP框架来实现通信和功能。具体内容如下：

Linux端组件​

Linux端的AMP框架由以下三个关键组件组成：

  • RPMSG：提供异构通信驱动框架，用于管理消息的发送和接收。
  • VIRTIO：提供异构通信的实际数据交互区域，负责数据的传输和接收。
  • REMOTEPROC：负责异构小核的加载、启动和停止操作，同时兼顾VIRTIO和共享内存的初始化。

这三大组件协同工作，确保了Linux端与RTOS端之间的有效通信与数据交换。

Virtio（虚拟化模块）​

Virtio 是一个用于共享内存管理的虚拟设备框架。在 Virtio 中，vring 是指向数据缓冲区指针的 FIFO 队列，具有两个单向的 vring：

  • 一个 vring 专用于发送消息到远程处理器；
  • 另一个 vring 用于接收从远程处理器发来的消息。

这两个 vring 构成了一个环形结构，Linux 和 MCU 通过 vring 的缓冲区来共享数据。vring 的缓冲区即为两个处理器之间的共享内存（也称为 Vring buffer）。

RPMsg（远程处理器消息传递）​

RPMsg 框架位于 Virtio 之上，是基于 Virtio 的消息总线。RPMsg 服务通过该框架实现，具有两个 vring，分别用于发送和接收消息，vring 缓冲区即为共享内存。

RPMsg 基于 Virtio 的 vring，利用这些 vring 向远程处理器发送消息或从其接收消息。当共享内存中有新消息时，mailbox 框架会通知处理器可以接收消息。

实际上，RPMsg 是基于 Virtio 的消息总线，主要用于实现消息传递。可以将 RPMsg 看作是与远程处理器通信的通道，每个通道都有一个本地源地址和远程目标地址，消息便通过这些地址进行传输。

RemoteProc（远程处理器控制）​

RemoteProc 框架由 Texas Instruments 开发，之后 Mentor Graphics 基于此开发了 OpenAMP 软件框架。在此框架下，主处理器上的 Linux 操作系统可以管理远程处理器及其相关软件环境的生命周期，即启动和关闭远程处理器。

RemoteProc 框架的主要功能：

  • 加载固件： 主处理器将 MCU 固件映像的代码段和数据段加载到 MCU 内存中，以便后续执行程序。
  • 解析资源表： 解析 MCU 固件资源表，并设置相关资源（如固件各个段的起始地址、大小等信息，以及 Virtio 设备特性、vring 地址、大小和对齐信息）。
  • 启动/停止远程处理器： 控制 MCU 核心固件的启动和停止。
  • 建立通信通道： 为与 MCU 的通信创建 RPMsg 通道。
  • 监控与调试： 提供远程监控和调试服务，借助 sysfs 和 debugfs 文件系统进行直接交互。

RemoteProc 控制流程：

  1. 主处理器启动： 主处理器首先启动并引导协处理器启动。
  2. 加载固件： 主处理器通过 RemoteProc 框架加载远程处理器固件，并解析固件资源表，配置协处理器的系统资源，同时创建 Virtio 设备。
  3. 启动远程处理器： 主处理器启动远程处理器，远程处理器开始运行。
  4. 创建通信通道： 在远程处理器启动后，主处理器需要先创建 RPMsg 通道，并发送第一条消息后，双核才能进行核间通信并相互传输数据。
  5. 停止固件： 若需要停止远程处理器的运行，主处理器可以关闭固件，远端处理器停止执行。

RTOS端实现​

RTOS端使用OPENAMP框架，功能实现与Linux端的RPMSG、VIRTIO、REMOTEPROC类似。然而，由于RTOS端不存在用户态与内核态、物理地址与虚拟地址的限制，RTOS端的实现相对更加简洁。

AMP 通信方式​

通信采用中断和共享内存的方式进行。在这种机制下，Linux端和RTOS端可以高效地进行数据传输和任务同步。

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AMP 系统在每个通信方向上都有两个缓冲区，分别是 USED 和 AVAIL，这个缓冲区可以按照 RPMsg 中消息的格式分成一块一块链接形成一个环。

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当主核需要和小核进行通信的时候可以分为四步：

  1. 主核先从USED中取得一块内存（Allocate）
  2. 将消息按照消息协议填充
  3. 将该内存链接到 AVAIL 缓冲区中（Send）
  4. 触发中断，通知辅助核有消息处理

反之，小核需要和主核通信的时候也类似：

  1. 小核先从AVAIL中取得一块内存（Allocate）
  2. 将消息按照消息协议填充
  3. 将该内存链接到 USED 缓冲区中（Send）
  4. 触发中断，通知主核有消息处理。

基于此，SDK 提供了 RPMsg 通讯接口和 RPbuf 通讯接口，具体使用方法请参阅对应文档。