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M300上运行 Linux + RT-Thread 双系统

2026-07-01 07:14:04

在前文 M300上双系统初探，演示了如何在Linux上的一个cpu核上跑独立的固件。M300 的 CPU0 / CPU1 的两颗同构的 XBurst2 核，共享了 512KB L2 和 DDR，当前Linux 默认 SMP 把两个核均使用了，是否可以让 CPU0 运行 Linux，CPU1 独立运行 RT-Thread，两个系统通过共享内存和核间中断通信？这样既可以保持linux复杂的功能，又可以通过RT-Thread实时系统支持实时性高的外设处理。

本文演示：AMP（Asymmetric Multi-Processing），CPU0 跑 Linux（网络栈、文件系统、应用），CPU1 跑 RT-Thread（实时任务、中断响应、FinSH 控制台），两套系统通过共享内存和 mailbox 通信，不需要改linux内核代码，只加一个内核驱动模块。

注意：本文基于 SDK v7, Linux 5.10.186, RT-Thread 自定义移植。

概述

双系统的场景很直接：

CPU0 → Linux（网络栈、文件系统、MQTT broker、云端对接）CPU1 → RT-Thread（微秒级 GPIO 响应、i2c/spi、电机控制、实时 shell）        └── 共享内存 + 核间 mailbox 通信

M300 已有的 `isolcpus=1` 是软隔离，CPU1 还在跑 Linux 的 idle 线程。本文做的是硬隔离：把 CPU1 从 Linux 内核里彻底隔离，独立跑 RT-Thread。

硬件架构

M300 的 CPU 三核结构：

本文操作的是 XBurst2 CPU1，不是 MCU 小核。CPU1 有完整的 FPU、MSA、DDR 访问能力。

控制 CPU1 的关键寄存器

控制 CPU1 启动/复位的核心硬件叫 CCU (Core Control Unit)，物理地址 `0x12200000`：

| 寄存器     | 偏移     |       描述                           ||------------|---------|---------------------------------------|| `CCU_CSRR` | `+0x40` | Core Soft Reset Register — bit1=1 按住复位, bit1=0 释放 || `CCU_CSSR` | `+0x20` | Core Soft Reset Status — bit1 只读，反映复位状态 || `CCU_RER`  | `+0xf00` | Reset Entry Register — CPU1 启动时从哪里取第一条指令 |

内核中代码 `arch/mips/xburst2/core/smp.c` 的 `xburst2_boot_secondary()` ：

通过这三个寄存器启动 CPU1 的。本文的内核模块复用同一套硬件，但把启动地址从内核的 bounce code 换成 RT-Thread 固件。

第一步：把 CPU1 从 Linux 里独立出来

在 uboot bootargs 加 `maxcpus=1`，Linux 启动时不让 CPU1 上线。

启动后，可以观察到linux中只有一个cpu核心。

增加核心驱动，核模块 `cpu1_loader.ko` 的核心函数 `cpu1_boot()`：

staticintcpu1_boot(void) {    unsigned int csrr;    // 1. 按住 CPU1 复位    csrr = ccu_rd(CCU_CSRR);    csrr |= (1 << 1);    ccu_wr(CCU_CSRR, csrr);    udelay(10);    // 2. CPU1 复位中，安全复制固件到 DDR    {        void __iomem *fw = ioremap(FW_PHYS, FW_SIZE);        memcpy_toio(fw, cpu1_fw, sizeof(cpu1_fw));        iounmap(fw);    }    // 3. 配置 CPU1 的 CORE_OST（独立计时器）    // 4. 配置 CCU 中断路由（OIMR, MIMR, PIMR）    // 5. 设置启动地址    ccu_wr(CCU_RER, FW_KSEG1);     // 0xAF000000    // 6. 释放复位 → CPU1 从 RER 地址开始执行    csrr &= ~(1 << 1);    ccu_wr(CCU_CSRR, csrr);    udelay(100);}

固件放在 DDR 的固定物理地址 `0x0F000000`（KSEG1: `0xAF000000`），预留 1MB：

0x0F000000  ┌──────────────────┐            │  RT-Thread 固件  │  ~40KB (代码+只读数据)0x0F00A000  ├──────────────────┤            │  BSS / 堆        │0x0F010000  ├──────────────────┤            │  MAGIC 魔术字    │  验证 CPU1 启动用0x0F0100D0  ├──────────────────┤            │  mailbox 通信区   │  核间 IPC0x0F010200  ├──────────────────┤            │  debug 共享窗口   │  CPU0 通过 devmem 读取0x0F020000  └──────────────────┘

第二步：RT-Thread 固件

固件启动流程：

CCU 释放 CPU1 复位    │    ▼start.S ── 拷贝 EBase 页面到 0xAF020000    │      设置 EBase = 0xAF020000    │      跳转到 bsp_entry()    ▼rtthread_startup()    ├── rt_hw_board_init()    │     ├── rt_system_heap_init()        // 堆    │     ├── rt_hw_tick_init()            // CORE_OST 系统时钟    │     ├── UART8 管脚复用    │     ├── UART8 寄存器配置 (DLL=13, FCR, LCR, IER)    │     ├── INTC 安装 UART8 中断处理    │     └── UART8 IER.RDR = 1    ├── rt_components_init()    │     ├── finsh_system_init()          // 创建 FinSH shell 线程    │     │   (INIT_APP_EXPORT, .rti_fn 段)    │     └── 其他自动初始化    ├── 调度器启动 → main 线程 (优先级10)    │     ├── 写 MAGIC 魔术字    │     └── return (让出 CPU)    │    ▼  FinSH shell 线程 (优先级20) ── 打印 "msh>" 提示符     └── 阻塞等待 UART8 输入 (rt_hw_console_getchar)

第三步：中断系统

M300 上有 4 个 per-core 中断控制器（INTC0~3），每个 CPU 核独立一个。M300 PM 24章, Table 24-1 列出了 4 个 per-core INTC：

每个 INTC 有相同的寄存器布局：

| 寄存器        | Group0  | Group1  | 属性 ||---------------|---------|---------|-----|| ICSR (源状态) | `+0x00` | `+0x20` | R || ICMR (屏蔽)   | `+0x04` | `+0x24` | RW, 复位=全屏蔽 || ICMSR (置屏蔽) | `+0x08` | `+0x28` | W || ICMCR (清屏蔽) | `+0x0C` | `+0x2C` | W || ICPR (挂起)   | `+0x10` | `+0x30` | R |

中断到达 CPU1 后的完整处理链路：

vectors.S (EBase=0xAF020000, offset 0x180)  │  ├─ ExcCode==0 (中断) → 计数器+1 → jr _interrupt_handler  └─ ExcCode!=0 (真实异常) → 保存 Cause/EPC/BadVAddr → 停机      │exception.S: _interrupt_handler  │  保存全部 32 个寄存器  │  ext a2, Cause, 8, 8   # 提取 IP[7:2]  │  ├─ IP3 (mailbox) → rt_interrupt_enter → mailbox_isr → rt_interrupt_leave  ├─ IP2 (INTC)    → rt_interrupt_enter → intc_dispatch → rt_interrupt_leave  └─ IP4 (OST)     → rt_interrupt_enter → ost_tick_isr → rt_interrupt_leave      │                      └─ 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag      │                         若需切换 → 上下文切换      ▼  恢复 32 个寄存器 → eret

这里有一个关键的保护机制：如果一个中断源挂起了但没有注册 handler，intc_dispatch 会自动把它屏蔽（写 ICMSR）。否则中断源会不断产生 IP2 风暴，停止整个 CPU。

第四步：系统时钟

每个 XBurst2 核都有自己的 CORE_OST（`0xB2100100` 是 CPU1 的），不需要经过 INTC，直接连 IP4。写在rt-thread的board.c的函数`ost_tick_isr()`：

void ost_tick_isr(void) {    core_ost[1] = 0;           // OSTER = 0    core_ost[3] = 0xFFFFFFFE;  // OSTFR 清 bit0    core_ost[2] = 1;           // OSTCR 清计数器    core_ost[1] = 1;           // OSTER = 1    rt_tick_increase();        // 通知 RT-Thread 调度器

设置 OST 比较值为 240000（100Hz tick @ 约 24MHz OST 时钟）。CORE_OST 的 IP4 路由由 CCU OIMR bit1（+0x1a0）控制，`cpu1_boot()` 已设好。

第五步：核间通信

CPU0 和 CPU1 之间通过 CCU mailbox + 共享内存通信：

CPU0 (Linux)                      CPU1 (RT-Thread)     │                                  │     │  写数据到共享内存 (0x0F0100E0)    │     │  写 u32 到 CCU 邮箱 (0x12201004)  │     │       │                          │     │       └── IP3 → CPU1 ────────────→ mailbox_isr()     │                   读取邮箱，处理数据，写响应到共享内存     │                                  │     │  kthread 轮询共享内存 ←───────────

Linux侧：

# echo 0x42 > /sys/kernel/cpu1_send     # 发一个 u32 给 CPU1# cat /sys/kernel/cpu1_recv             # 读 CPU1 的回复

固件cpu1_loader 里跑了一个 `recv_poll_fn` 内核线程，每 10ms 读一次共享内存，检测到变化就 `sysfs_notify()` 通知用户态。

测试

开发板启动后，使用串口程序连接开发板uart1，在linux上执行：

可以看到手工加载内核模块驱动后，通过sysfs启动rt-thread固件，这时linux是通过uart1与用户继续保持联系，而rt-thread配置为uart8，pc通过串口软件连接uart8后:

可以观察到rt-thread正确在uart8上显示启动信息，并通过fsh与用户保持连接：

linux与rt-thread分别在M300的两个cpu核心上正常运行。

使用下述方法测试linux与rt-thread间通信：

  Linux (CPU0)                         RT-Thread (CPU1)       │                                     │       │ echo > /sys/kernel/cpu1_send        │       │    └─ writel(0x42, CPU1_mbox)       │       │             │                       │       │             └── IP3 ─────────────────→ mailbox_isr()       │                         读邮箱 = 0x42, 清邮箱       │                         写 *resp = 0x42 + 1 = 0x43       │              ←────────── 共享内存 (0x0F0100E0)       │                                     │       │  poll 线程读到 0x43                 │       │  sysfs_notify → cpu1_recv           │       │                                     │    cat /sys/kernel/cpu1_recv → 0x00000043