AUTOSAR架构下的多核通信介绍

前言

随着汽车ECU迅速的往域控制器方向发展，ECU要处理的任务越来越多，单核CPU的负载越来越大，多核ECU势在必行。AUTOSAR架构下OS支持多核处理，本系列文章将详细介绍AUTOSAR架构下的多核机制。本文介绍AUTOSAR架构下的多核通信。

问题 1： 什么是共享内存（Shared Memory），共享内存需要在链接文件中特别指定吗？

问题 2：如果要指定共享内存，该怎么指定？

问题3： 用于多核通信的共享内存一定需要使用SpinLock进行一致性保护吗？

问题4： 如何确保单核中的数据一致性？

参考文档：

AUTOSAR架构下多核启动

AUTOSAR架构下多核Shutdown

TC3xx芯片MPU介绍

MPU功能详解-以RH850U2A为例

缩略词

简写	全称
IOC	Inter-OS-Application Communicator

注：本文章引用了一些第三方工具和文档，若有侵权，请联系作者删除!

正文

1.多核通信介绍

使用多核的ECU避免不了需要考虑跨核通信，如下图所示，跨核通信时使用RTE进行跨核通信时，AUTOSAR定义了标准的IOC通信，用户只需要配置SWC的端口接口进行Mapping，IOC的具体实现由RTE/OS自动实现，不用用户再做其他的操作。如果不使用RTE进行多核通信，没有标准的接口可以使用，需要用户自定义跨核通信，着重需要考虑跨核通信的共享内存及数据一致性保护。

Figure 1: 多核通信

2.多核间标准通信

多核间通信一定是跨OS-Application的通信（OS-Application不能跨核，所以两个不同核上的SWC一定隶属于不同的OS-Application），而“IOC”负责操作OS-Application之间的通信，特别是跨越核或内存保护边界的通信。

2.1 什么是IOC

IOC全称为Inter-OS-Application Communication，专门用于跨OS-Application的通信方式，特别的，跨越核或内存保护边界的通信一般都使用IOC通信。

2.2 IOC的适用范围

IOC的具体实现由RTE和OS实现，所以，IOC只适用于通过RTE交互的SWC间的跨OS-Application的通信，或通过RTE交互的SWC和BSW跨OS-Application通信，或者通过RTE交互的CDD和SWC或者CDD和CDD间的跨OS-Application通信。总之，不经过RTE的通信不适用IOC通信。

2.3 IOC的通信种类

IOC不支持Client-Server的通信，只支持Sender-Receiver的通信方式，SWC间的Client-Server通信在RTE/OS的具体实现中转变为 Sender-Receiver的通信方式。也就是说对于SWC的开发者来说，不用做任何的更改，C-S的接口依然可以继续使用。

从IOC的Senders和Receivers个数来分：IOC支持1:1, N:1, N:M的通信方式。

从是否带Notification的角度来分：IOC分为带Notification和不带Notification的通信方式。

IOC通信支持队列缓存（queue buffer）,1:1和N:1通信方式支持队列，N:M通信方式不支持队列，1:1的通信方式一般不使用队列，N:1通信方式一般使用队列。

2.3 IOC通信配置

两个SWC如果使用IOC通信的话，接口配置和不使用IOC通信完全一样。

配置Data Type

配置Interface

配置P-port和R-Port

进行P-port和R-port连接（Mapping）

不过，两个SWC如果要使用IOC跨核（跨OS-Application）通信，这两个SWC的Runnable所在的Task一定时归属于两个核上的不同OS-Application,这样进行Port连接后，RTE和OS会自动为两个SWC生产IOC通信接口和具体实现。

2.4 IOC通信的共享内存和数据保护

IOC通信的具体实现由共享内存的方式实现，共享内存的跨核间数据一致性保护由Spin lock保证，共享内存的核内Task间的数据一致性保护由开/关全局中断的方式保证。共享内存和数据一致性保护都由OS来自动生成和保证。

Note: 如果IOC通信间的数据长度小于等于4 Bytes，那么RTE/OS不会为其生成Spin lock和开关中断的配置代码，因为32bit的MCU的一次机器周期操作能完成4字节数据的操作，保证了数据的原子操作。

2.5 IOC通信需要注意的其他点

单核内如果存在多个OS-Application，且OS-Application间由内存保护的边界（boundaries

），这种单核场景也适用IOC通信。

在只有一个Core的系统中，如果只有一个OS-Application，或者如果没有OS-Application使用内存保护机制，那么IOC可以被完全省略。

带Notification的IOC适用二类中断ISR来通知Receivers数据已经到达shared buffer，能保证Receiver及时的取得数据。

2.6 IOC通信的示例

2.6.1 SWC间通过S-R方式1:1通信且没有Notification

如图2所示，Core 0上的SWC通过RTE接口给Core 1上的SWC发送数据。接收端的可运行实体被定期调用（调度表或者Alarm机制实现），并通过RTE接收数据。

由于通信跨越了核心边界，RTE调用IOC将数据从Core0传输到Core1。

数据发送方调用

Rte_Send__ (..., )

Rte_Write_SWC_PortName(VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC) data) /* 2 */
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  rtn = ((VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC))RTE_E_OK);
  (void)IocWrite_Rte_Rx_000139(data);
  return rtn;
}

RTE将其mapped 到

IocSend_ ()

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocWrite_Rte_Rx_000139(const rt_Array_uint8_8 *value)
{ 
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(&Os_Ioc_Rte_Rx_000139, value, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

Figure 2: IOC without notification

在本例中，IocSend服务将数据写入一个缓冲区，该缓冲区位于一个共享内存区中，接收方可以通过IOC读取该数据。在接收端，接收可运行程序被定期调用。

Rte_Receive__ (..., )

Rte_Read_SWC_PortName(CONSTP2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA) data) 
{
  VAR(Std_ReturnType, AUTOMATIC) rtn;
  (void)IocRead_Rte_Rx_000139(((P2VAR(rt_Array_uint8_8, AUTOMATIC, RTE_APPL_DATA))data));
  rtn = Rte_Rx_000139_status;
  return rtn;
}

RTE将其mapped 到

IocReceive_ ()

调用以从IOC内部队列中读取数据。1：1通信不需要RTE中的附加队列。

FUNC(Std_ReturnType, OS_CODE) IocRead_Rte_Rx_000138(rt_Array_uint8_8 *value) {
  Os_imaskType previous_imask;
  previous_imask = OS_STSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID); OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, 0U);
  while (0U != Os_TestAndSet(&Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139)) { /* spin */ }
  Os_ioc_memcpy(value, &Os_Ioc_Rte_Rx_000138, sizeof(*value)); /*lint !e545 */
  OS_SYNCM(); Os_IocLockData.Os_IocLock_Rte_Rx_000139 = 0U;
  OS_LDSR(OS_PLMR_REGID, OS_PLMR_SELID, previous_imask);
  return IOC_E_OK;
}

这种无通知的端口对端口通信适用于：

Sender/Receiver通信

队列或者非队列通信

1:1通信方式

2.6.2 SWC间通过C-S方式通信有Notification

当数据写入IOC内部数据缓存后，Rte函数调用OS的服务来激活接收任务。这种通信方式适用于：

带Notification的SWC间的Sender/receiver通信；

Client/server通信。

队列或非队列通信；

非polling模式的1:1通信；

N:1通信。

Figure2: IOC with notification by RTE

用长度为100的队列方式实现。

Std_ReturnType IocReceive_Rte_Rx_000022(uint8* value)
{
  *value = Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[read_index];
  read_index = (read_index == 100)? 0 : (read_index + 1U);
  return E_OK;
}


Std_ReturnType IocSend_Rte_Rx_000022(uint8 value)
{
  If ((read_index == 0 && write_index == 100)|| (read_index-write_index==1)) {
  return IOC_E_FULL;
  } else {
  Os_Ioc_Rte_ Rx_000022[write_index] = val;
  write_index = (write_index == 100)? 0 : (write_index + 1U);
  Os_SetEvent(EventID);
  }
}

3.多核间非标准通信

从第2章节得知:

IOC通信的的共享内存也就是OS定义的全局变量

对共享内存的数据一致性保护也就是通过Spin Lock和开关中断来实现，

共享内存小于等于4 bytes，可以不使用Spin Lock和中断保护

如果没有开启内存保护（MPU），共享内存可以分配在.default段（不用特别的去修改链接文件定义特殊的段），也就是任意可访问RAM地址

只不过这些都由RTE和OS自动实现，对于用户只要做好Port连接即可。

那么对于不经过RTE的多核通信，我们是否可以自己实现多核通信了？-- 肯定是可以的，下面我就列出一些多核通信的场景及应该考虑的地方。

序号	两个跨核SWC所在OS-Application情况	通信数据长度	共享内存	数据一致性保护
1	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application都无内存保护机制	小于等于4 Bytes(32-bit MCU)	不用在链接文件特殊定义共享内存段，直接使用.default Data段	不用spin lock保护； 不用开关全局中断保护
2	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application都无内存保护机制	大于4 Bytes(32-bit MCU)	不用在链接文件特殊定义共享内存段，直接使用.default Data段	需要spin lock保护； 如果该Shared buffer同一个核中不同Task间读写情况，就需要开关全局中断保护。
3	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application有内存保护机制	小于等于4 Bytes(32-bit MCU)	需要在链接文件定义两个OS-Application都能访问的共享内存段	不用spin lock保护； 不用开关全局中断保护
4	Core0-SWC和Core1-SWC所在OS-Application有内存保护机制	大于4 Bytes(32-bit MCU)	需要在链接文件定义两个OS-Application都能访问的共享内存段	需要spin lock保护； 如果该Shared buffer同一个核中不同Task间读写情况，就需要开关全局中断保护。

关于MPU请参考：

TC3xx芯片MPU介绍

4.总结

问题 1： 什么是共享内存（Shared Memory），共享内存需要在链接文件中特别指定吗？

答：两个或多个OS-Application都能访问的内存区域即为共享内存区域。如果没有使能MPU内存保护机制，任意定义的全局变量即为共享内存变量。如果使能了MPU内存保护机制，就需要在链接文件中定义共享内存段，同时需要配置MPU保护段并分配给OS-Application。

问题 2：如果要指定共享内存，该怎么指定？

答：在链接文件中指定一块内存区域，然后配置MPU设置其读写访问属性，需要多核通信的OS-Application应该包括该MPU配置即拥有对该共享内存的读写访问权限。

问题3： 用于多核通信的共享内存一定需要使用Spin Lock进行一致性保护吗？

答：不一定。当多核通信的数据小于等于4 Bytes(32-bit MCU)时CPU一个机器周期就能完成数据的读写，已经是原子操作，不用使用Spin lock进行数据一致性保护。

问题4： 如何确保单核中的数据一致性？

答：使用开关/挂起全局核内全局中断。

审核编辑：汤梓红