瑞萨RZ/T2H平台多核异构的应用场景分析

本文以RZ/T2H多轴控制/驱动的实例，介绍RZ/T2H平台的多核异构应用场景。分为：

示例软件基本框架；

使用RemoteProc启动R核；

程序启动后，R核之间通过数据共享来传递数据；

RZ/T2H的启动流程。

该例程运行于RZ/T2H平台，该平台由两个CR52核和四个CA55核构成。其中，CA55核跑Linux OS+EtherCAT主站软件；CR52_1运行EtherCAT从站，与主站实现9轴的控制/状态数据实时交互；CR52_2运行9轴的电机驱动程序。

01基本框架

图一 多核异构的软硬件框架

EtherCAT Controller（CiA402）位于CA55 Linux 侧，负责上位通信控制。包括EtherCAT主站通信、电机控制指令下发和现场数据收集等等。

EtherCAT Slave device（CiA402）位于CR52_1上，运行EtherCAT从站协议栈，执行EtherCAT数据帧处理与设备对象管理，运行在裸机环境中，保证实时性。

CA55端的ECAT主站和CR52_1端的ECAT从站，通过内部端口连接，EtherCAT数据流直接在2个域之间流动,不需要从外部端口回环；

9-axis motor drive位于CR52_0，负责伺服电机驱动（多轴机器人控制）。功能包括：PWM计算和输出，编码器反馈数据采集，电流环/速度环/位置环计算和数据反馈，运行在裸机环境。

运行于CA55的CODESYS RUNTIME（EtherCAT Master），通过EtherCAT协议向CR52_1发送控制数据，CR52_1通过共享内存向CR52_0转发解析后的数据，CR52_0控制外设来控制电机。

同理，电机的实时状态数据由CR52_0采集，通过共享内存机制传递到CR52_1，CR52_1再通过EtherCAT协议把数据传回主站。

02CA55端采用OpenAMP的RemoteProc来启动CR52_0和CR52_1

图二 remoteProc启动CR52_0和CR52_1

Remoteproc代码位于/sources/linux-renesas/drivers/remoteproc/rz_rproc.c

2.1 操作结构体

rz_rproc_ops是一个struct rproc_ops类型的结构体，它定义了远程处理器（remoteproc）的操作函数集。这个结构体在`rz_rproc_probe`函数中被使用，具体是在创建新的remoteproc实例时作为参数传递给devm_rproc_alloc函数：

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rproc= devm_rproc_alloc(dev, np->name, &rz_rproc_ops, NULL, sizeof(*pdata));

该操作包含以下操作函数：

prepare：准备远程处理器的资源

start：启动远程处理器，当系统需要启动远程处理器时会调用

stop：停止远程处理器，当需要停止远程处理器时会调用

da_to_va：设备地址到虚拟地址的转换，见源码中的A55核和R52核之间的地址访问转换关系

parse_fw：解析固件，当需要加载固件时，会调用 parse_fw 和相关的 ELF 操作函数

2.2 probe的驱动框架层次：

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module_platform_driver(rz_rproc_driver)
 |-- 设备树匹配 "renesas,rz-cr52"
 |-- rz_rproc_probe()
   |-- devm_kzalloc() 分配私有数据
   |-- devm_rproc_alloc() 分配 remoteproc 结构
   | |-- 关联 rz_rproc_ops 操作函数集
   |-- 读取设备树属性
   | |-- renesas,rz-core
   | |-- renesas,rz-swint
   | |-- renesas,rz-start_address
   | |-- renesas,rz-autoboot
   |-- pm_runtime_enable() 启用电源管理
   |-- rproc_add() 注册远程处理器
     |-- 创建 sysfs 接口
     |-- 初始化远程处理器状态

当执行echo gcc_rzn2h_cr52_0_rpmsg_linux_baremetal_demo.elf> /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware时，会调用firmware_store修改firmware的名字。

当执行echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state，会产生state_store->rproc_boot->request_firmware->rproc_fw_boot->rproc_start，此时调用rz_rporc.c中的rproc->ops->start

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rproc_boot()
 |-- rproc_prepare_device()
 | |-- rz_rproc_prepare() // 我们驱动中的准备函数
 |-- request_firmware()   // 从文件系统加载固件
 |-- rproc_fw_sanity_check()
 | |-- rz_rproc_ops.sanity_check()
 |-- rproc_parse_fw()
 | |-- rz_rproc_parse_fw() // 解析固件内容
 |-- rproc_load_segments()
 | |-- rproc_elf_load_segments()
 |-- rproc_start()
   |-- rz_rproc_start()  // 启动远程处理器

2.3 设备树节点分析

设备树节点的compatible="renesas,rz-cr52"会匹配到驱动中的：

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staticconststructof_device_idrz_rproc_of_match[] = {
  { .compatible="renesas,rz-cr52"},
  {/* end of list */},
};

从而找到该驱动。

资源初始化流程：

`reg`属性定义了两个内存区域：

cr52_sram：0x10000000-0x101FFFFF （SRAM区域）

cr52_ddr：0x3E0000000-0x3E9000000（DDR区域）

`memory-region`指向三个预留内存区域：

`vdev0vring0`：虚拟设备环形缓冲区0

`vdev0vring1：虚拟设备环形缓冲区1

`vdev0buffer`：虚拟设备共享缓冲区

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renesas,rz-core = <0x0>;    // CR52核编号
renesas,rz-swint = <10>;    // 软中断通道
renesas,rz-start_address = <0x00000000>; // 启动地址

注意CR52_0：

启动地址0x00000000，CR52_1：启动地址0x10061000。这两个地址需要与firmware编译后的地址一致。

2.4 remoteProc的start本地实现

我们提取其中的static int rz_rproc_start（struct rproc*rproc）来做一下简单介绍：

prcrs_base= ioremap(PRCRS,0x4);
prcrn_base= ioremap(PRCRN,0x4);

设置PRCRS和PRCRN，用于使能GPIO写功能。

接下来建立CA55视角的地址空间：

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atcm_base_0 = ioremap(BSP_PRV_ATCM_AXIS_CR520_ADDRESS,
(CR52_ATCM_END - CR52_ATCM_START));

同理得到：atcm_base_1，btcm_base_0，sysram_base。

从T2H的用户手册上，也可以查到A55核访问异构核的对应地址。

图三 A55访问ATCM/BTCM/SRAM的物理地址

接下来是拷贝CR52_1的firmware

拷贝完成后Reset CR52_0，通过设置SWRCPU0为0x4321A502来release和reset，便开始执行该firmware。

启动脚本为：

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# 将存在的固件名写入remoteproc sysfs 入口
echoCR52_0_motor.elf>/sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware
echoCR52_1_ECAT.elf>/sys/class/remoteproc/remoteproc1/firmware
#启动远端处理器
echostart>/sys/class/remoteproc/remoteproc0/state
echostart>/sys/class/remoteproc/remoteproc1/state

03CR52_0与CR52_1之间的共享数据

CR52_0和CR52_1之间通过核间通信（基于共享内存机制），交换电机控制参数和状态信息。使用 Shared Memory驱动（r_shared_memory，通过瑞萨FSP生成）和核间中断机制，实现核间数据交换，同时通过硬件信号量和软件标志位来保证数据完整性和互斥访问。

图四 CR52_0与CR52_1之间的数据共享

图五 数据共享的消息序列图

数据传输

CR52_1使用SHARED_MEMORY API将数据结构写入到2个CPU的共享内存区域。写入操作仅在数据发生变化时进行，从而避免不必要的访问,写入完成，CR52_1产生一个核间中断通知CR52_2。

数据接收

CR52_2收到CR52_1发来的中断，开始从共享内存区读取数据，同时在回调函数会设置一个标志位，以标志数据读取过程完成。

T2H自带2MB的SRAM，将CR52_0和CR52_1之间的1.5KB数据共享放到了如下地址：

图六 数据共享地址

04T2H的启动顺序

图七 T2H多核启动顺序

注

BL2表示引导加载程序的第2阶段（Boot Loader stage 2），BL3表示引导加载程序的第3阶段（Boot Loader stage 3），WFI表示Wait For Interrupt。

T2H上电后，始终从CR52_0启动，BOOTROM根据BL2的加载地址决定是从CR52_0继续启动还是跳转到CA55启动；

上图的启动流程：

系统上电后，Boot function将BL2加载到 SystemRAM中，并跳转到其入口地址执行。

BL2将BL3和U-Boot加载到DDR SDRAM中，并跳转到BL3的入口地址执行。

BL3为U-Boot做一些初始化准备工作，然后跳转到U-Boot的入口地址执行。

U-Boot加载Linux并启动它。

通过remoteproc加载并启动Cortex-R52 CPU0 的固件。

Cortex-R52 CPU0开始执行其固件。

通过remoteproc加载并启动Cortex-R52 CPU1 的固件。

Cortex-R52 CPU1开始执行其固件。

以上完成多核的启动，再配合CA55端的CODESYS RUNTIME，可以完成驱控一体的系统搭建。9轴驱控视频请见：

RZ T2H完整的软硬件设计规范、参考例程、工具等，请登录以下网址获取更多资料。

RZ/T2H - Advanced High-End MPU with Integrated Powerful Application Processing and High-Precision Real-Time Control for 9-Axis Motor Control | Renesas

https://www.renesas.com/en/products/microcontrollers-microprocessors/rz-mpus/rzt2h-advanced-high-end-mpu-integrated-powerful-application-processing-and-high-precision-real-time