為何要在邊緣 IoT 裝置使用多核心微控制器及如何開始

邊緣物聯網 (IoT) 裝置的開發人員應市場要求，需納入益發多樣且處理密集型的功能，涵蓋通訊、取樣感測器到執行機器學習 (ML) 推論等。同時，開發人員要維持或降低功耗。這需要對設計的核心元件採用更有彈性的架構做法，也就是微控制器。如此一來，開發人員就可在增添功能的同時，在效能、功能與功耗上取得最佳平衡。

這種架構做法採取的形式便是多核心微控制器。顧名思義，多核心微控制器是將多個處理核心建構在單一封裝中。然而，單純採用更多核心無法解決問題。開發人員需要了解對稱與非對稱式多核心處理器之間的差異、如何進行功能分割，以及如何有效地對其進行編程。

本文將介紹多核心微控制器的概念，然後探討開發人員如何運用多核心微控制器，以在效能與能源限制之間取得平衡。本文將介紹 STMicroelectronics 旗下 STM32H7 產品線推出的幾款多核心微控制器，並以此示範說明。此外，本文還會檢驗幾個使用案例，說明開發人員可以運用多核心處理功能，並在多個核心之間拆分工作負載。

多核心微控制器簡介

如上所述，多核心微控制器擁有多個處理核心。常用的配置有兩種：對稱與非對稱式處理。對稱式核心配置包含兩個或多個完全相同的處理核心。例如，這些核心可能都是 Arm® Cortex®-M4 處理器。另一方面，非對稱式核心則可能包含 Arm Cortex-M7 處理器和 Arm Cortex-M4 處理器。此外，也可能包含 Arm Cortex-M4 和 Arm Cortex-M0+ 處理器。組合的方式相當多種，視應用及設計的需求而定。

IoT 開發人員會對多核心微控制器感到興趣，是因為能將應用分成多個執行域。不同的執行域有助於精準控制應用的效能、功能以及電力需求。例如，可以使用一個核心透過高解析度顯示器以及觸控面板與使用者互動，而第二個核心則用於管理系統的即時需求，例如控制馬達、繼電器以及取樣感測器。

開發人員可以採用多種應用分割方式，但其中最常用的兩種典範方式是將應用分成：

• 多功能／即時
• 即時／安全

在第一種「多功能／即時」典範中，系統就如同上文所述的一樣。多功能型應用的元件，如顯示、機器學習推論、音訊播放以及記憶儲存等，都由一個核心處理。第二個核心則用於處理即時功能，例如馬達控制、感測與通訊堆疊 (圖 1)。

圖 1：採用多核心微控制器的應用設計典範之一，是將多功能型應用的元件置於一個核心，即時型元件則置於第二個核心。(圖片來源：STMicroelectronics)

第二種典範則將應用分成即時與安全功能。在第一個核心當中，應用會處理諸如顯示、記憶體存取以及即時音訊播放等作業。另一方面，第二個核心則只充當安全處理器使用。因此，第二個核心會負責儲存重要資料 (如裝置與網路金鑰)、處理加密、安全啟動程式，以及執行任何屬於安全軟體範疇的其他功能 (圖 2)。

圖 2：另一種運用多核心微控制器的應用設計典範，是將即時應用元件置於一個核心，所有安全性元件則置於第二個核心。(圖片來源：STMicroelectronics)

此外，還有其他潛在方式可分割多核心微控制器的應用空間，但這兩種典範似乎是最受 IoT 開發人員青睞的方式。

挑選多核心微控制器開發板

雖然多核心微控制器越來越受歡迎，但仍然不算是主流，挑選時會面臨一些難題。如果開發人員想使用多核心微控制器，最好挑選擁有下列特徵的開發板：

• 含有 LCD，以便探索多功能型應用應用
• 擴充 I/O
• 低成本
• 由經過實證的生態系統支援，包括範例程式碼、社群論壇，並可洽詢具備專業素養的現場應用工程師

以下將討論數個來自 STMicroelectronics 的產品範例，首先從 STM32H745I-DISCO 開始 (圖 3)。這款開發板以 STM32H745ZIT6 雙核心微控制器為基礎，其中包含一個運作頻率為 480 MHz 的 Arm Cortex-M7 核心，以及第二個運作頻率為 240 MHz 的 Arm Cortex-M4 處理器。此零件包含一個雙精度浮點單元，以及一個具備 16 Kb 資料與 16 Kb 指令快取的 L1 快取。這款探索板因為包含某些額外功能，因而特別值得關注，例如：

• SAI 音訊編解碼器
• 微機電系統 (MEMS) 麥克風
• 板載四通道 SPI 快閃記憶體
• 4 GB eMMC
• 子卡擴充
• 乙太網路
• 供音訊裝置與耳機使用的排針座

這款開發板有許多內建功能，因此是運用多核心微控制器的超簡易入門選擇，且確實能擴充應用。

圖 3：STM32H745I-DISCO 開發板整合了許多板載感測器以及記憶體功能，能讓開發人員測試運作頻率為 480 MHz 以及 240 MHz 的雙核心微控制器。(圖片來源：STMicroelectronics)

如果開發人員想尋找擁有額外功能以及大量擴充 I/O 的開發板，那麼 STM32H757I-EVAL 也許正是最佳選擇 (圖 4)。STM32H757I-EVAL 包含額外的評估板功能，例如：

• 8 M x 32 位元 SRAM
• 1 Gb 雙重四通道 SPI NOR 快閃記憶體
• 用於追蹤指令的嵌入式追蹤巨集單元 (ETM)
• 電位器
• LED
• 按鈕 (撥動、搖桿、喚醒)

對於剛入門的開發人員來說，這些額外功能 (特別是 I/O 擴充) 非常實用。

圖 4：STM32H757I-EVAL 開發板為開發人員提供大量擴充空間，並且能輕易取用周邊裝置，此外也有 LCD 螢幕，能開始開發多核心應用。(圖片來源：STMicroelectronics)

在了解幾款開發板之後，接下來將簡單提供一些建議，以便開始開發多核心微控制器應用。

如何開始開發第一個多核心應用

無論選用兩款 STM32H7 開發板的哪一個，開始使用時都需要兩個主要工具。第一個工具是 STMicroelectronic 的 STM32CubeIDE。這是一款免費的整合式開發環境 (IDE)，能讓開發人員編譯自己的應用程式碼，並將其部署至開發板。此外，STM32CubeIDE 也提供必要的資源來逐步執行應用並進行除錯，並且相容於各大作業系統，包括 Windows、Linux 以及 MacOS。

第二個工具是 STMicroelectronic 的 STM32H7 韌體套件。這個套件包含適用於 STM32H7 開發板的範例：

• 多核心處理
• 使用 FreeRTOS
• 周邊裝置驅動程式
• FatFS (檔案系統)

開發人員需要下載韌體應用程式套件，並對其選用之開發板所支援的範例加以熟悉。不過，開發人員需特別注意兩個資料夾。第一個是應用程式資料夾，內含兩個說明如何使用 OpenAMP 的範例 (圖 5)。這些範例說明如何在微控制器核心之間來回傳輸資料，其中一個核心會將資料傳輸到另一個，再由第二個核心傳回第一個。兩個範例以不同的方式執行此步驟。第一個是沒有作業系統的裸機，而另一個則搭配 FreeRTOS。

圖 5：STM32Cube_FW_H7 提供數個範例，展示如何開始透過 OpenAMP 進行多核心處理。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

第二組範例展示的是在使用及不使用 RTOS 的情況下，如何配置兩個核心 (圖 6)。其中一個範例說明如何在每個核心上執行 FreeRTOS；第二個範例則說明如何在一個核心上使用 RTOS，而另一個核心則裸機運作。這個韌體套件還有其他幾個範例可展示其他功能，但上述範例是入門時不錯的選擇。

圖 6：STM32Cube_FW_H7 提供數個範例，展示如何配置搭載多核心處理器的作業系統。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

載入範例專案後，開發人員會看到類似圖 7 的專案佈局。如圖所示，專案由各個核心的應用程式碼組成。組建的配置亦可設定成，讓開發人員一次只使用一個核心。如圖 7 中以灰階顯示的檔案所示。

圖 7：OpenAMP Ping-Pong 範例專案向開發人員展示如何在兩個 CPU 核心之間建立通訊通道。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

範例程式碼的完整說明並不在本文的討論範圍內，但讀者可以檢閱與任何範例相關的 readme.txt 檔案，取得詳細說明來了解其運作方式，然後可檢閱原始程式碼，了解跨處理器通訊 (IPC) 的實際執行方式。

使用多核心微控制器的秘訣與訣竅

開始使用多核心微控制器並不困難，但開發人員必須開始以略微不同的方式思考其應用設計。以下提供一些開始使用多核心微控制器的「秘訣與訣竅」：

• 仔細評估應用，以決定最適合的應用領域劃分方式。雖然可以由單一處理器涵蓋多個領域，但若未細心規劃，可能會影響效能。
• 請花時間探索 OpenAMP 架構內建的功能，並瞭解應用要如何運用這些功能。
• 下載適用於 STM32H7 處理器的應用範例，並且為選定的開發板執行多核心應用範例。H747 包含兩個範例：一個適用於 FreeRTOS，另一個則適用於 OpenAMP。
• 進行應用除錯時，別忘了現在有兩個核心在運作！務必在除錯環境中選擇正確的執行緒，以檢視其調用記錄。
• 運用硬體旗號等內部硬體資源，在核心上達到應用執行同步。

開發人員若在一開始便使用支援完備的開發板，並且遵循這些「秘訣和訣竅」，便能在初次使用多核心微控制器時省下許多時間和麻煩。

結論

對於網路邊緣 IoT 系統的開發人員而言，多核心微控制器能依據應用需求，在功能、效能與功耗之間達到更優異的配合與平衡。這類微控制器能讓開發人員將應用分成數個領域，例如多功能／即時，或是即時／安全處理。將應用區分成多個領域的能力，能讓開發人員在不需要處理域時，將對應的核心停用，以節省能源；或是將核心開啟，以提高應用效能。

如本文所述，有多款不同的開發板可用於開始探索多核心微控制器應用設計，並且能完全掌控其效能與能源概況。