SoC软件技术--核间通信

原创 thatway1989 那路谈OS与SoC嵌入式软件 2024-05-31 19:21

SoC就是
System on Chip，一个芯片上集成了一个系统，一个系统往往有很多核，例如M核、A核、R核，以及异构的RISC-V核等，集成到一个芯片上的好处就是节省成本并且体积更小，能耗也更低，可谓是一举多得。但是多个核上的各种OS之间就需要进行通信，这也就是本文的主题：核间通信。
核间通信也称为Mailbox
，Mailbox技术是由软硬件协同
实现的。

其实核间通信之前电源管理相关的两篇文章里面提到过：

1. 电源管理入门-5 arm-scmi和mailbox核间通信

  1. ARM SCP入门-AP与SCP通信

但是讲的并不深入，并且从硬件角度讲的少，也不全面。本篇
文章就追本溯源，从一手资料
的角度去看下什么是核间通信，重点从底层软硬件
的角度去分析。

核间通信需要解决三个主要问题：
告诉对方数据放哪里（mailbox硬件或者共享内存实现）怎么去通知对方取数据（中断，俗称doorbell）数据的软件协议格式是什么

举个例子：引用ARM规范SCMI协议的核间通信例子：

《DEN0056E_System_Control_and_Management_Interface》

Linux和BL31都是运行在A核上的，SCP一般是M核，这其中就是核间通信。

1. 数据放mailbox硬件实现

完全用硬件实现数据传输不使用共享内存，那么数据就需要放入硬件的data寄存器里面就可以了，然后触发对方的中断去接收处理。

比较经典的两个ARM自己的mailbox IP就是PL320和MHU。并且代表了两种技术路线：

  1. PL320老一些，两个核都连在PL320上的两个通道上，PL320支持很多通道，一对多的关系，成本高

  2. MHU更加灵活，只提供一个通道，那么就需要一个核一个MHU跟对方连，这样小巧灵活，避免浪费。另外MHU的DATA数据寄存器传输能力更强，基本不用共享内存参与，且可以与软件深度融合定制，效率更高。

1.1 PL320硬件手册

这里以ARM一个经典的Mailbox硬件PL320为例进行说明，怎么样去拿到一手资料，那必须是ARM官网。

首先进入
ARM官网：**https://developer.arm.com** 搜索PL320：

点击下载pdf即
可，下面的内容都是摘自英文pdf的翻译：
IPCM是一个高度可配置和可编程的模块。它有三个可配置的参数：

  1. 1-32个邮箱

  2. 0-7个数据寄存器，

  3. 1-32个中断。

核心0有一条消息要发送到核心1：

  • 核心0通过在邮箱源寄存器中设置位0来声明邮箱。

  • 然后，Core0在邮箱目标寄存器中设置位1，启用中断，并将消息编程到邮箱数据寄存器中。

  • 最后，核心0通过写入01向邮箱发送寄存器发送消息。这就生效了对核心1的中断。

当Core1被中断时：

  • 它会读取IPCMINT1的屏蔽中断状态寄存器，以确定哪个邮箱包含该邮件。

  • Core1读取该邮箱中的消息，然后清除该中断，并通过向邮箱发送寄存器写入10来断言确认中断。

  • 核心0被确认消息中断，从而完成操作。然后，核心0决定是保留邮箱以发送另一条邮件还是释放邮箱，并将其释放给系统中的其他核心使用它。

IPCM的集成：

  • AHB接口：AHB接口允许从系统总线访问到IPCM寄存器。

  • 邮箱和控制逻辑：邮箱和控制逻辑块包含所有的邮箱寄存器和控制逻辑。

  • 中断生成逻辑：中断生成逻辑块从所有IPCM邮箱的当前状态生成IPCM中断输出。

AHB（Advanced High-performance Bus）接口是一种在ARM处理器中使用的总线接口。它是一种高性能、低功耗的总线架构，用于连接处理器核心、内存、外设和其他系统组件。AHB接口支持高带宽、低延迟的数据传输，能够满足多种应用场景的需求。在ARM体系结构中，AHB接口被广泛应用于系统级总线连接和数据交换。

使用举例：

两个核、四个邮箱，

  • Core0是源，使用channel 1，使用邮箱0发消息

  • Core1是目标，使用channel 2

时序图如上面所示，具体为：

1.Core0获得对邮箱0的控制，并通过在IPCM0SOURCE注册器中设置位0来将自己标识为源核心。

2.Core0通过在IPCM0MSTATUS寄存器中设置位0和1来实现对核心0和核心1的中断。

3.Core0通过在IPCM0DSTATUS寄存器中设置位1来定义目标核心。

4.Core0程序的数据有效负载，设置寄存器IPCM0DR0为DA7A0000。

5.Core0设置邮箱发送寄存器IPCM0SEND位0（就是0x01），以触发邮箱0中断到核心1。

6.Core1读取IPCMRIS1寄存器，以确定是哪个邮箱导致了中断。在本例中，只指示邮箱0。

7.Core1读取数据有效负载IPCM0DR0。

8.Core1可选择使用确认数据DA7A1111更新数据有效负载IPCM0DR0。

9.Core1清除位0，并在IPCM0SEND寄存器中设置位1，以清除其中断，并将手动确认中断提供回核心0。

10.Core0读取IPCMRIS0寄存器，以确定是哪个邮箱导致了中断。同样，只指示邮箱0。

11.Core0读取确认有效负载数据IPCM0DR0。

12.Core0清除邮箱发送寄存器IPCM0SEND中的位1，以清除其中断。

13.Core0通过清除IPCM0SOURCE寄存器来释放邮箱的所有权，进而清除IPCM0DSTATUS、IPCM0MSTATUS和IPCM0DR0寄存器。

注意：在步骤13中，通过不清除IPCM0源注册器，核心0可以保留邮箱以发送另一个数据消息。

寄存器空间：

1.2 PL320驱动（linux为例）

直接上github代码链接：

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/drivers/mailbox/pl320-ipc.c 

static int pl320_probe(struct amba_device *adev, const struct amba_id *id)
{
    int ret;

    ipc_base = ioremap(adev->res.start, resource_size(&adev->res));
    if (ipc_base == NULL)
        return -ENOMEM;

    writel_relaxed(0, ipc_base + IPCMxSEND(IPC_TX_MBOX));

    ipc_irq = adev->irq[0];
    ret = request_irq(ipc_irq, ipc_handler, 0, dev_name(&adev->dev), NULL);
    if (ret < 0)
        goto err;

    /* Init slow mailbox */
    writel_relaxed(CHAN_MASK(A9_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxSOURCE(IPC_TX_MBOX));
    writel_relaxed(CHAN_MASK(M3_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxDSET(IPC_TX_MBOX));
    writel_relaxed(CHAN_MASK(M3_SOURCE) | CHAN_MASK(A9_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxMSET(IPC_TX_MBOX));

    /* Init receive mailbox */
    writel_relaxed(CHAN_MASK(M3_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxSOURCE(IPC_RX_MBOX));
    writel_relaxed(CHAN_MASK(A9_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxDSET(IPC_RX_MBOX));
    writel_relaxed(CHAN_MASK(M3_SOURCE) | CHAN_MASK(A9_SOURCE),
               ipc_base + IPCMxMSET(IPC_RX_MBOX));

    return 0;
err:
    iounmap(ipc_base);
    return ret;
}

request_irq(ipc_irq, ipc_handler 设置了
中断，这跟硬件的连接有关系，PL320硬件跟A核连接上了那个中断引脚就是哪个，是硬件决定的。

初始化的时候会执行pl320_probe，要根据具体硬件的连接方案，软件是需要有改动的，linux的驱动也不是万能的，只是提供了个例子，具体怎么用还需要自己去配置，所以驱动工程师每个公司都会养几个。

发数据的时候会调用pl320_probe： 

int pl320_ipc_transmit(u32 *data)
{
    int ret;

    mutex_lock(&ipc_m1_lock);

    init_completion(&ipc_completion);
    __ipc_send(IPC_TX_MBOX, data);
    ret = wait_for_completion_timeout(&ipc_completion,
                      msecs_to_jiffies(1000));
    if (ret == 0) {
        ret = -ETIMEDOUT;
        goto out;
    }

    ret = __ipc_rcv(IPC_TX_MBOX, data);
out:
    mutex_unlock(&ipc_m1_lock);
    return ret;
}

发生中断在 

#define IPCMxDR(m, dr)        (((m) * 0x40) + ((dr) * 4) + 0x024)
#define IPCMxSEND(m)        (((m) * 0x40) + 0x020)

static void __ipc_send(int mbox, u32 *data)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 7; i++)
        writel_relaxed(data[i], ipc_base + IPCMxDR(mbox, i));
    writel_relaxed(0x1, ipc_base + IPCMxSEND(mbox));
}

  • m是channel数，一个channel的寄存器偏移占0x40的偏移大小

  • 数据寄存器的偏移就是0x024。

  • dr就是8个32bit的数据的那一个，一个字节8bit，32bit就是4个字节

  • 0x20 IPCMxSEND就是触发了对方的中断

收数据的过程就是对方给自己一个中断，进入中断处理函数ipc_handler 

#define IPCMMIS(irq)        (((irq) * 8) + 0x800)

static irqreturn_t ipc_handler(int irq, void *dev)
{
    u32 irq_stat;
    u32 data[7];

    irq_stat = readl_relaxed(ipc_base + IPCMMIS(1));
    if (irq_stat & MBOX_MASK(IPC_TX_MBOX)) {
        writel_relaxed(0, ipc_base + IPCMxSEND(IPC_TX_MBOX));
        complete(&ipc_completion);
    }
    if (irq_stat & MBOX_MASK(IPC_RX_MBOX)) {
        __ipc_rcv(IPC_RX_MBOX, data);
        atomic_notifier_call_chain(&ipc_notifier, data[0], data + 1);
        writel_relaxed(2, ipc_base + IPCMxSEND(IPC_RX_MBOX));
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

按照上面硬件手册中的流程：

10.Core0读取IPCMRIS0寄存器，以确定是哪个邮箱导致了中断。同样，只指示邮箱0。

对应：readl_relaxed(ipc_base + IPCMMIS(1));

11.Core0读取确认有效负载数据IPCM0DR0。

对应：__ipc_rcv 

static u32 __ipc_rcv(int mbox, u32 *data)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 7; i++)
        data[i] = readl_relaxed(ipc_base + IPCMxDR(mbox, i));
    return data[1];
}

12.Core0清除邮箱发送寄存器IPCM0SEND中的位1，以清除其中断。

对应代码：writel_relaxed(2, ipc_base + IPCMxSEND(IPC_RX_MBOX));

13.Core0通过清除IPCM0SOURCE寄存器来释放邮箱的所有权，进而清除IPCM0DSTATUS、IPCM0MSTATUS和IPCM0DR0寄存器。

2. 数据放共享内存实现

参考之前的文章：电源管理入门-5 arm-scmi和mailbox核间通信

  1. A核先往某个指定共享内存空间buffer写数据，然后写入共享内存空间的地址信息到相应通道数据寄存器，mailbox触发中断给R核;

  2. M核（SCP）通过得到mailbox中断，获取共享内存相应offset，读取buffer数据；

  3. M核（SCP）通过mailbox触发中断通知A核接收消息完毕。

这里的Mailbox硬件如果使用的PL320的话，那么只使用了其中断功能，DR数据寄存器就闲置了。一般是需要传输的数据量比较大的时候,DR寄存不够用了，就必须使用共享内存了。

注意：使用共享内存的时候，双方要约定好共享内存的区域，或者动态的使用DR寄存器传输共享内存地址。

在drivers/mailbox/mailbox.c中，mailbox_send_message发消息的时候会调用mbox_send_message 

mailbox_send_message
--》mbox_send_message
  --》msg_submit

static void msg_submit(struct mbox_chan *chan)
{
        data = chan->msg_data[idx];
        if (chan->cl->tx_prepare)
                chan->cl->tx_prepare(chan->cl, data);
        err = chan->mbox->ops->send_data(chan, data);
}

tx_prepare-》shmem_tx_prepare会往共享内存里面存入数据，在drivers/firmware/arm_scmi/shmem.c中 

void shmem_tx_prepare(struct scmi_shared_mem __iomem *shmem,
                      struct scmi_xfer *xfer)
{
        spin_until_cond(ioread32(&shmem->channel_status) &
                        SCMI_SHMEM_CHAN_STAT_CHANNEL_FREE);
        iowrite32(0x0, &shmem->channel_status);
        iowrite32(xfer->hdr.poll_completion ? 0 : SCMI_SHMEM_FLAG_INTR_ENABLED,
                  &shmem->flags);
        iowrite32(sizeof(shmem->msg_header) + xfer->tx.len, &shmem->length);
        iowrite32(pack_scmi_header(&xfer->hdr), &shmem->msg_header);
        pr_info("#### shmem_tx_prepare shmem->msg_header=0x%x\n", shmem->msg_header);
        if (xfer->tx.buf){
                memcpy_toio(shmem->msg_payload, xfer->tx.buf, xfer->tx.len);
        pr_info("#### shmem_tx_prepare shmem->msg_payload[0]=0x%x\n", (int)shmem->msg_payload[0]);
        }
}

发消息drivers/mailbox/pl320-ipc.c中pl320_mbox_send_data函数 

static const struct mbox_chan_ops pl320_mbox_ops = {
        .send_data        = pl320_mbox_send_data,
};

ops->send_data-》pl320_mbox_send_data-》__ipc_send(pl320_id, ch, buf);会触发中断 

static void __ipc_send(int pl320_id, int mbox, u32 *data)
{
        ipc_base = get_ipc_base(pl320_id);

        for (i = 0; i < MBOX_MSG_LEN; i++)
                writel_relaxed(data[i], ipc_base + IPCMxDR(mbox, i));

        if (mbox % 2 == 0)
                writel_relaxed(0x1, ipc_base + IPCMxSEND(mbox));
        else
                writel_relaxed(0x2, ipc_base + IPCMxSEND(mbox));
}

收消息，drivers/mailbox/pl320-ipc.c中ipc_handler 

        for (idx = 0; idx < MBOX_CHAN_MAX; idx++)
                if (irq_stat & (1 << idx))
                        receive_flag |= channel_handler(mbox, idx);

channel_handler中会清中断

3. 数据的软件协议格式

3.1 SCMI协议

数据的协议格式是很灵活的，参考文章ARM SCP入门-AP与SCP通信

中使用的SMT+SCMI协议的模式：

内存管理协议

代码参考：https://github.com/torvalds/linux/blob/4a4be1ad3a6efea16c56615f31117590fd881358/drivers/firmware/arm_scmi/shmem.c#L22 

struct scmi_shared_mem {
    __le32 reserved;
    __le32 channel_status;
#define SCMI_SHMEM_CHAN_STAT_CHANNEL_ERROR    BIT(1)
#define SCMI_SHMEM_CHAN_STAT_CHANNEL_FREE    BIT(0)
    __le32 reserved1[2];
    __le32 flags;
#define SCMI_SHMEM_FLAG_INTR_ENABLED    BIT(0)
    __le32 length;
    __le32 msg_header;
    u8 msg_payload[];
};

其中里面包含了scmi协议的内容，如下： 

__le32 msg_header;
u8 msg_payload[];

3.2 RPMsg通信


Linux ® RPMsg框架是在 virtio 框架1之上实现的消息传递机制，用于与远程处理器进行通信。它基于 virtio vring，通过共享内存向远程 CPU 发送消息或从远程CPU接收消息。

vring 是单向的，一个 vring 专用于向远程处理器发送消息，另一个 vring 用于从远程处理器接收消息。此外，在两个处理器都可见的内存空间中创建共享缓冲区。

  • remoteproc：remoteproc 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。此框架还为支持 RPMsg 协议的远程处理器添加了 rpmsg virtio 设备。有关此框架的更多详细信息，请参阅
    remote proc 框架
    1页面。

  • virtio：支持虚拟化的 VirtIO 框架。它基于共享环形缓冲区 (vring) 提供高效的传输层。有关此框架的更多详细信息，请参阅以下链接：

  • Virtio：Linux 的 I/O 虚拟化框架1

  • virtio 介绍 - SlideShare 2

  • rpmsg：基于 virtio 的消息总线，允许内核驱动程序与系统上可用的远程处理器进行通信。它提供消息传递基础结构，方便客户端驱动程序编写有线协议消息。然后，客户端驱动程序可以根据需要公开适当的用户空间接口。

  • rpmsg_client_driver是实现与远程处理器关联的服务的客户端驱动程序。当远程处理器使用“新服务公告” RPMsg消息请求关联服务时，RPMsg框架会探测此驱动程序。

参考：

https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mpu/wiki/Linux_RPMsg_framework_overview

上面说的一些概念可能比较不好理解，可以自己查阅下相关资料。

在Linux内核代码中，RPMsg的代码主要位于drivers/rpmsg/下，文件之间的主要关系如下图所示。一开始Linux中只使用VirtIO作为该协议传输层，后来又增加了Glink、SMD等，Glink和SMD主要用于高通平台。用户代码通过操纵rpmsg驱动，实现数据的收发操作。所有数据都在RPMsg总线上传递。


当主核需要和从核进行通信的时候可以分为四步，如上图所示：

  1. 主核先从USED中取得一块内存；

  2. 将消息按照消息协议填充；

  3. 将该内存链接到AVAIL换中；

  4. 触发中断，通知从核有消息处理。

RPMSG的报文格式：


该消息格式的定义位于drivers/rpmsg/virtio_rpmsg_bus.c中，具体定义如下。 

struct rpmsg_hdr {
    u32 src;
    u32 dst;
    u32 reserved;
    u16 len;
    u16 flags;
    u8 data[];
} __packed;

参考：https://www.jianshu.com/p/c7cdad8273ed

后记：

人类创造的技术，技术的思路必然会受人的思维限制，人的思维其实更多的还是先天基因就决定的，也就是本能。核间通信，说简单点例如你想给另一个人传递一个信息，那不写一个纸条递过去，然后敲一下对方，对方就知道打开看了。所以我们解决3个问题：

1.纸条（共享内存）

2.敲一下（中断）

3.纸条上写什么文字（软件协议）

这么说你理解什么是核间通信了么？理解了评论区**扣1**。

“啥都懂一点，啥都不精通，

干啥都能干，干啥啥不是，

专业入门劝退，堪称程序员杂家”。

后续会继续更新，纯干货分析，欢迎分享给朋友，欢迎评论交流！

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