一种基于DSP与ARM的异构双核微控制器设计与实现

摘要

异构多核处理器是现代处理器设计的重要趋势，通过集成不同类型的核心，能够更有效地处理多样化的计算任务，从而满足不同应用场景对性能与效率的差异化需求。针对传统单核处理器在信号处理、实时控制与人机交互协同工作中的瓶颈，本文设计并实现了一种基于数字信号处理器(digital signal processor, DSP)+ARM(advanced RISC machines,ARM)架构的异构双核微控制器。其目标是将DSP高效的数据运算能力与ARM卓越的事务管理、中断响应及通信控制能力融合于一体，形成功能互补的主从式双核系统。硬件上，集成自研C-DSP、ARM Cortex-M3、双核共享存储、时钟管理及高级高性能总线(advanced high-performance bus, AHB)/高级外围总线(advanced peripheral bus, APB)总线矩阵，配专用进程间通信(inter-process communication, IPC)模块，借双向独立信号路径与寄存器组实现双核快速中断握手，省去外部SPI连线。软件采用“ARM主控+DSP从属”协同机制：ARM先配时钟与中断向量，经IPC启DSP;随后将待处理数据写入共享RAM并移交权限，DSP运算后将结果回写并反馈确认应答信号(acknowledgement, ACK),ARM读取校验。仿真在CCS完成双核工程配置，联合nc-verilog对RTL验证：DSP(150 MHz)、ARM(100 MHz)均通过指令集及功能测试。实验结果表明，该异构双核微控制器(microcontroller unit, MCU)能够正确完成数据交互与协同计算，核间通信延迟低、数据一致性好，验证了架构的可行性与稳定性。该设计现已进入后端物理优化阶段，为后续嵌入式应用提供了高效、灵活且低成本的芯片级解决方案，具有良好的工程推广价值。

关键词

异构双核 / ARM+DSP / IPC通信 / 嵌入式系统 / 人机交互 / 共享存储 / 微控制器设计

基金资助

柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室开放基金(202015)