AliOS Things SMP系统及其在esp32上实现示例

摘要： AliOS Things实现了基本的SMP调度框架，支持多CPU体系的系统运行和调度机制。任务可以动态在多核间进行切换或者绑定运行；高优先级任务可以最大化利用空闲资源核运行。基于此框架，可以快速实现AliOS Things在各种不同多核CPU架构下的移植。

AliOS Things实现了基本的SMP调度框架，支持多CPU体系的系统运行和调度机制。多CPU之间对用户系统运行无区别，能平等访问共享内存、外设等共享资源；任务可以动态在多核间进行切换或者绑定运行；高优先级任务可以最大化利用空闲资源核运行。

基于此框架，可以快速实现AliOS Things在各种不同多核CPU架构下的移植；对于上层应用，可以不需要关注任务的运行核以及底层实现，也可以指定某任务在特定核运行。此实现框架，最大化地提高SMP功能在不同CPU上的移植效率，并保证上层应用使用SMP系统的简洁性。

1、 AliOS Things SMP基础特性

特性1：多CPU公平的任务切换机制，平等访问共享资源
特性2：高优先级任务合理利用空闲CPU资源
特性3：支持任务绑定核运行
特性4：支持不同CPU下快速移植
特性5：兼容单核接口并提供SMP内核扩展接口

2、 AliOS Things SMP特性移植框架

使用AliOS Things的SMP框架，可以快速在不同CPU体系下移植，以快速实现SMP功能。以下列出移植需要实现项，即可完成对应CPU的SMP功能：
2.1 核启动加载
目前的启动顺序是，系统默认开始启动0核，在0核的主任务入口内启动其他核的加载，使其都进入任务调度，并完成多核启动阶段的同步工作：核进入idle任务作为核启动完成的标志。
2.2 核间中断
主要作用：触发其他核进行调度。在任务加入ready任务队列或者任务超时到期后，如果此任务绑定到其他核，或者比其他核正在执行的任务优先级高，则会触发对应核进行任务切换。
2.3 核间锁
由于多核之间的同步互斥问题，需要实现核间锁功能，用于访问共享资源，如任务队列、内存等资源时，核内的资源互斥采用开关中断来实现。目前任务相关的资源调度和内存管理分别采用两把核间锁，该锁的实现必须支持核内的可重入性，而能达到核间互斥的目的。
以上功能需要在不同CPU/MCU架构下进行移植实现，即可完成SMP需要的底层接口支持。OS已经提供了标准的实现接口，参考下面esp32的SMP移植示例。

3、 Esp32上支持SMP移植示例

目前AliOS Things在esp32上完成了SMP的实现，后续将继续支持其他多核CPU比如cortex-A9等系列的多核CPU。参考下面的移植描述点进行移植：
3.1 SMP编译宏
对于某多核CPU，OS通过单版本不同编译宏来同时支持单核和多核的框架。在Makefile中指定-DRHINO_CONFIG_CPU_NUM=X（核数目），或者修改k_config.h内RHINO_CONFIG_CPU_NUM宏来指定核数目。推荐第一种方式。
3.2 多核加载接口
按照2.1章节描述，系统的启动顺序为默认先启动0核，在0核主任务内启动其他从核并实现同步。
需要实现加载其他核接口：void os_load_slavecpu(void);
内部实现需要完成剩余核的复位启动、必要硬件的初始化，并在从属核初始化完后，同样进入cpu_first_task_start开始进入调度；此阶段，0核需要执行os_wait_allcore接口来等待所有核的启动完成，以所有核都能进入idle任务为启动完成标志。os_wait_allcore为通用实现接口，cpu_first_task_start同单核实现。
3.3 核间中断接口
此部分需要完成三个接口的适配：
3.3.1初始化：void os_crosscore_int_init();
完成核间中断的硬件初始化，此接口需要在多核初始化时调用。
3.3.2触发接口：void cpu_signal(uint8_t cpu_num)
触发目标核对应的中断，需要完成内部实现。
3.3.3 核间中断处理：void os_crosscore_isr(void *arg)
接口内部需要调用krhino_intrpt_exit接口，其通过cpu_intrpt_switch来实现当前核的任务调度；如果需要清中断源，则清中断源。
3.4核间锁接口
此部分需要完成三个必要接口的适配，：
3.4.1 初始化：void cpu_spin_lock_init(kspinlock_t *lock);
对锁结构体赋初值；用户可以按照自身需求实现，也可参考esp32实现代码。
3.4.2 加解锁：基本原则是支持核内嵌套，核间互斥
void cpu_spin_lock(kspinlock_t *lock);
int32_t cpu_spin_unlock(kspinlock_t *lock);
锁实现可以参考在esp32上对应实现。

3.5 SMP目录结构
参考esp32，在platform/mcu/esp32下新建smp目录。smp_port.h列出上述描述的需要移植的接口，smp_load.c为核加载实现，smp_int.c为核间中断实现，smp_sync.c为核间同步接口实现。

将上述接口对接后，对应文件加入编译体系内，即可完成SMP移植适配。
3.6 其他注意事项
在实现任务和中断切换汇编portXX.S时，需要考虑到兼容单核和多核，主要是对于g_current_task等多核数组的访问，可以参考esp32中portasm.S实现。

4、SMP相关内核接口
多核SMP机制下，kernel兼容所有单核的对外接口，并提供必要的SMP扩展接口供用户使用。

上述接口将任务和核绑定，使其固定在某核运行。如果使用非绑定接口，则任务运行的核是随机的。

5、esp32上SMP运行示例
下图为Alios Things在esp32上实现SMP的任务状态图：

Cpu_binded列表示任务是否绑定核，cpu_num表示任务当前运行核，cur_exc表示当前任务运行状态。
Smp特性移植完成后，同样需要通过内核用例的测试认证。kernel测试认证请参考：https://github.com/alibaba/AliOS-Things/wiki/Manual-API

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