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RT-Thread SMP核弹与树莓派碰撞(新)

发布于 2019-08-13 21:17:19 浏览：652 订阅该版

[tocm]

本帖主要描述raspi 3b上SMP实现，该实现主要基于现有raspi2 bsp代码基础上添加相关SMP支持，所需支持的功能主要包括：

- 多核启动
- 多核通信
- 多核时钟
- 多核中断上下文切换
- 其它rt-thread SMP必要接口

## 多核启动

rt-thread启动过程中，bootrom会让主核之外的其它核处于等待状态，直至主核将地址写入其它核对应的MAILBOX3寄存器中。

当前实现中，Raspi3b 多核从同一个入口：_reset 开始进行CPU核初始化。总体初始化流程如下：

1. 首先判断当前CPU是否为主核（默认CPU0为主核）：
```
 mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5 //read cpu id
 ubfx r0, r0, #0, #2
 cmp r0, #0
```
2. 如果非主核，进入非主核初始化操作（该操作在主核唤醒非主核后执行）：
```
 bl secondary_cpu_start
 b .
```
3. 如果是主核，那么对各模式下栈指针，中断向量表，MMU，调度，组件等进行初始化，设置IPI中断处理函数，使能多核IPI通信中断，启动应用，并开始调度。除初始化MMU，设置IPI中断函数，使能IPI中断外，其它基本为原raspi2单核启动内容。需要注意的是：MMU数据内存类型需要带SHARED属性（以支持后续spin_lock功能实现）：
```
#define SHARED (1<<16) /* shareable */
```
4. 主核在启动应用时会调用rt_hw_secondary_cpu_up接口，BSP需要将其它核启动地址写入对应核的MAILBOX3寄存器中唤醒其它核（当前启动地址和主核保持一致：`_reset）`:
```c
 void rt_hw_secondary_cpu_up(void)
 {
 rt_cpu_dcache_clean_flush();
 rt_cpu_icache_flush();
 int i;
 int retry,val;
 
 //for(i=1; i< RT_CPUS_NR; i++ )
 for(i=RT_CPUS_NR-1; i>0; i-- )
 {
 rt_kprintf("boot cpu:%d ", i);
 CORE_MAILBOX3_SET(i) = _reset;
 __SEV();
 __DSB();
 __ISB();
 retry = 10;
 rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND/1000);
 do
 {
 val = CORE_MAILBOX3_CLEAR(i);
 if(val == 0){
 rt_kprintf("start OK: CPU %d ",i);
 break;
 }
 rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND);
 
 retry --;
 if(retry <= 0)
 {
 rt_kprintf("can't start for CPU %d ",i);
 break;
 }
 }while(1);
 }
 __DSB();
 __SEV();
 }
```
5. 其它核对各模式下栈指针，MMU，中断向量表进行设置，开启时钟，使能多核IPI通信中断，并开始调度。当前实现中MMU和中断向量表与主核保持一致：
```c
 rt_hw_timer_init();
 rt_hw_vector_init();
 COREMB_INTCTL(rt_hw_cpu_id()) = IPI_MAILBOX_INT_MASK; //使能IPI中断
 rt_hw_spin_lock(&_cpus_lock);
 rt_system_scheduler_start();
```
## 多核通信
多核通信接口为：rt_hw_ipi_send。本实现中主要通过MAILBOX机制利用MAILBOX0寄存器来实现多核通信:
```c
void rt_hw_ipi_send(int ipi_vector, unsigned int cpu_mask)
{
 __DSB();
 if(cpu_mask&0x1)
 {
 IPI_MAILBOX_SET(0) = 1 << ipi_vector;
 }
 if(cpu_mask&0x2)
 {
 IPI_MAILBOX_SET(1) = 1 << ipi_vector;
 }
 if(cpu_mask&0x4)
 {
 IPI_MAILBOX_SET(2) = 1 << ipi_vector;
 }
 if(cpu_mask&0x8)
 {
 IPI_MAILBOX_SET(3) = 1 << ipi_vector;
 }
 __DSB();
}
```
在Raspi 3b中，如果使能了对应MAILBOX中断，当MAILBOX寄存器值不为0时，可以触发对应核的IRQ中断。
当前多核通信主要实现多核调度功能：对于未绑定CPU的新线程开始执行或者未绑定CPU的线程从某个核调度出来时，会调用IPI接口通知其它核进行调度：该功能主要利用了MAILBOX中断机制，通过写其它核MAILBOX0寄存器触发对应核IRQ中断，进入MAILBOX中断处理，然后调用rt_scheduler_ipi_handler接口来触发对应核进行调度。

```c
#define IRQ_ARM_MAILBOX         65
```

board.c:
```c
    rt_hw_ipi_handler_install(IRQ_ARM_MAILBOX, ipi_handler);
    rt_hw_interrupt_umask(IRQ_ARM_MAILBOX);
```

trap.c:
```c
    uint32_t int_source = CORE_IRQSOURCE(cpu_id);
    if (int_source & 0xf0)
    {
        /*it's a ipi interrupt*/
        if (mailbox_data & 0x1){
            /* clear mailbox */
            IPI_MAILBOX_CLEAR(cpu_id) = mailbox_data;    
            isr_func = isr_table[IRQ_ARM_MAILBOX].handler;
#ifdef RT_USING_INTERRUPT_INFO
            isr_table[IRQ_ARM_MAILBOX].counter++;
#endif
            if (isr_func)
            {
                param = isr_table[IRQ_ARM_MAILBOX].param;
                isr_func(IRQ_ARM_MAILBOX, param);
            }
        }
        else 
            CORE_MAILBOX3_CLEAR(cpu_id) = mailbox_data;
    }
```

## 多核时钟
多核时钟实现主要是对单核时钟实现rt_hw_timer_init以及rt_hw_timer_isr进行了修改，每个核都利用自身的时钟进行核和线程相关tick更新，进而实现时间片调度功能：
```c
int rt_hw_timer_init()
{
#ifndef RT_USING_SMP
    /* timer_clock = apb_clock/(pre_divider + 1) */
    ARM_TIMER_PREDIV = (250 - 1);

ARM_TIMER_RELOAD = 0;
    ARM_TIMER_LOAD   = 0;
    ARM_TIMER_IRQCLR = 0;
    ARM_TIMER_CTRL   = 0;

ARM_TIMER_RELOAD = 10000;
    ARM_TIMER_LOAD   = 10000;

/* 23-bit counter, enable interrupt, enable timer */
 ARM_TIMER_CTRL = (1 << 1) | (1 << 5) | (1 << 7);
#else
 __DSB();
 cntfrq = read_cntfrq();
 cntfrq = cntfrq/(RT_TICK_PER_SECOND*10); 
 write_cntv_tval(cntfrq);
 enable_cntv();
 __DSB();
 CORETIMER_INTCTL(rt_hw_cpu_id()) = 0x8;
#endif 
 rt_hw_interrupt_install(IRQ_ARM_TIMER, rt_hw_timer_isr, RT_NULL, "tick");
 rt_hw_interrupt_umask(IRQ_ARM_TIMER);
 return 0;
}

void rt_hw_timer_isr(int vector, void *parameter)
{
#ifndef RT_USING_SMP
    ARM_TIMER_IRQCLR = 0;
#else
    mask_cntv();
    __DSB();
    write_cntv_tval(cntfrq);
    __DSB();
    unmask_cntv();
    __DSB();
#endif 
    rt_tick_increase();
}
```

## 多核中断上下文切换
该功能相关代码出自libcpu cortex-a代码，每个CPU核都需要单独维护自身的中断上下文、中断嵌套等信息。

```c
#ifdef RT_USING_SMP
#define rt_interrupt_nest rt_cpu_self()->irq_nest
#else
extern volatile rt_uint8_t rt_interrupt_nest;
#endif
```

## 其它rt-thread SMP必要接口

- `rt_hw_local_irq_enable/rt_hw_local_irq_disable`

这两个接口实现中断使能和静止，在rasp3b中和单核中断使能/禁止无区别：
```c
#ifdef RT_USING_SMP
  #define rt_hw_interrupt_disable rt_hw_local_irq_disable
  #define rt_hw_interrupt_enable  rt_hw_local_irq_enable
  #endif
```

- `rt_hw_cpu_id`

该接口获取当前CPU的cpu id：
```c
 int rt_hw_cpu_id(void)
  {
      int cpu_id;
      __asm__ volatile (
              "mrc p15, 0, %0, c0, c0, 5"
              :"=r"(cpu_id)
              );
      cpu_id &= 0xf;
      return cpu_id;
  };
```

- `rt_hw_spin_lock/rt_hw_spin_unlock`

这两个接口实现多核间互斥锁功能，主要利用ARM的ldrex/strex机制来实现:
```
 __asm__ __volatile__(
 "1: ldrex %0, [%3] "
 " add %1, %0, %4 "
 " strex %2, %1, [%3] "
 " teq %2, #0 "
 " bne 1b"
 : "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp)
 : "r" (&lock->slock), "I" (1 << 16)
 : "cc")
```

- `rt_hw_secondary_cpu_idle_exec`

该接口主要实现其它（非主）核idle线程执行的功能：
```c
  void rt_hw_secondary_cpu_idle_exec(void)
  {
      __WFE();
  }
```