7.1 多核与 SMP 支持

7.1 多核与 SMP 支持

本节摘要：多核是算力的红利，也是确定性的新考点。本节对比对称多处理与非对称分核两条架构路线，量化 SMP 引入的共享队列竞争、缓存亲和、核间同步三类新开销，并给出核间通信的正确姿势与任务分布的工程原则。

「SMP」——对称多处理，是多核操作系统资料里的第一个行话：多个地位平等的核共享一份内存与一个操作系统实例，任务可以被放到任何核上。它听起来像单核的自然推广，实际上第三章的全部分析大厦都建立在「同一时刻只有一个执行流」的前提上，这个前提一旦撤走，竞争、缓存、同步三只新怪兽同时进场。本节的立场是先看清怪兽，再决定要不要请它们进项目——因为另一条路线（分核）在很多实时场景里反而更优。

两条路线：一个内核还是两个

对称多处理（SMP）：一份内核同时管理所有核，就绪表全局共享，调度器在每个核上各自运行、共同仲裁。开发者视角最省心——任务照建，内核自动铺到各核。代价在下文展开，核心问题只有一个：全局数据结构（就绪表、时钟列表）成了多核争抢点，每次访问都要跨核加锁。

非对称分核（AMP）：每个核跑独立的内核实例（甚至不同系统：一个核跑 RTOS、另一个跑 Linux），任务固定在各自核上，核间通过约定的通信通道协作。确定性极好——每个核内仍是完整的单核世界，第三章的分析原样可用；代价是要自己划任务、自己搭核间通道，负载均衡靠人工。

选型的判据是任务的「异质性」：各核上的任务集互相独立、速率与关键性差异大（控制核加通信核），分核更优；任务同质且负载波动大（并行处理一批图像块），SMP 的自动均衡才开始值回票价。工业控制与汽车领域的主流选择是分核或「锁定式 SMP」——名义上 SMP，实际把任务用亲和性设置钉死在指定核上，兼得两边的便利与确定性。

图：双核系统的两条组织路线

SMP 的三类新开销

共享就绪表的锁竞争：两个核同时派发任务时要串行化，高负载下锁等待成为延迟的一部分，且随核数恶化。缓存亲和被迁移破坏：任务在核零上跑热了缓存，被调度器搬到核一后全部失效，第一轮执行明显变慢——对 WCET 是直接的额外项。核间中断：跨核唤醒任务需要发一个核间中断，这个动作本身有微秒级开销，频繁跨核唤醒的系统的真实利用率远低于表面利用率。三笔开销没有一笔出现在单核世界里，这正是「多核跑单核分析」注定出错的原因。

核间通信的正确姿势

分核路线下，核间同步有三件工具。硬件自旋锁：芯片提供的锁寄存器，适合保护极短的共享数据访问，持锁以百纳秒计。核间邮箱或队列：多数多核 MCU 提供专门的核间通信外设（双向 FIFO 或信号寄存器），语义上就是 4.2 节队列的跨核版——数据所有权在投递瞬间转移，天然无竞态。共享内存加缓存维护：大块数据走共享内存，带缓存的核必须在写入后清理缓存行、读取前作废缓存行，否则对方读到的是陈旧数据——这是多核调试里最著名的「幽灵数据」来源：

/* 核间投递大块数据：写后清缓存，接收前作废缓存 */
memcpy(s_sharedBuf, localData, len);
CACHE_CleanRange(s_sharedBuf, len);        /* 把改动推到真实内存 */
Mailbox_Notify(CORE_OTHER, MSG_READY);     /* 再敲门，顺序不可颠倒 */
​

注意敲门的顺序：先保证数据就绪（缓存清理完成），再发通知。顺序颠倒后，对方可能抢在数据落地前开始读取——又一个「实验室好好的，量产偶发」的经典来源。

任务分布的工程原则

无论选哪条路线，分布原则一致：按关键性与速率分核，同核内再按第三章的方法分析。硬实时任务集中到一个核，与低速杂务物理隔离；通信量大的任务对尽量同核或用高带宽通道连接；共享资源的任务尽量同核，把跨核同步压到最少——跨核锁的每一纳秒都比核内锁贵。完成分布后，每个核独立跑一遍利用率判据与响应时间迭代，核间通道的传输延迟计入两端任务的预算。这套流程做完，多核系统重新变回「若干个可证明的单核加几条可测的通道」，确定性失而复得。

本节要点回顾

• SMP 与分核的分野：自动均衡对确定性的交易，实时场景倾向分核或锁定；
• SMP 三笔新账：共享队列锁竞争、缓存亲和损失、核间中断开销；
• 锁定式 SMP 是工程主流：关键任务钉核，杂务自由调度；
• 核间数据所有权在投递瞬间转移的通道最安全，共享内存须维护缓存；
• 敲门顺序铁律：先清缓存后通知，颠倒即幽灵数据；
• 分布原则：按关键性分核、同核内独立分析、跨核通道延迟计入预算。

常见问题

问：核间通信选邮箱还是共享内存？ 小消息（状态、通知）走邮箱外设，硬件保障原子性与通知；大块数据走共享内存加手动缓存维护。两者常配合使用：共享内存放数据，邮箱只送「数据就绪」的信号——与 4.2 节池加队列的组合同构。

问：SMP 下怎么把任务钉在核上？ 内核的任务创建接口带亲和性参数（或事后设置属性）。钉核的依据是本节的分布原则：按关键性与缓存足迹分核，钉完重跑每个核的调度分析。

问：双核芯片的实时核一定要跑 RTOS 吗？ 未必，低复杂度的实时核用裸机状态机更省更稳——判断标准回到第一章：任务模型是否需要 RTOS 的抽象。多核给了你异构搭配的自由，不必两核对称。

问：核间延迟怎么测？ 一核翻转引脚、另一核收到通知后翻转第二路，示波器量两路间隔即端到端核间延迟；拆细则分别测通知传递与缓存维护耗时。这个数字要写进核间通道的设计文档。

问：调试多核系统要先备什么？ 双核时间线对齐的观测能力——两个核的跟踪数据要有共同时基，否则时间线拼不起来。多数专业跟踪工具支持多核会话，写代码前先确认这条链路通，出了问题再搭就晚了。

分核设计的一页纸模板

把本节方法固化成一页纸：核的分工表（核、角色、任务清单、利用率）；核间通道表（通道、方向、消息、速率、延迟预算、缓存策略）；共享资源表（资源、位置、访问规则）；验证判据（各核独立分析通过加通道延迟实测闭合）。评审时这四张表一次过完，多核设计的结构性问题基本无处藏身。通道表里的「延迟预算」一列，记得把缓存维护的耗时单独列出——它经常是预算里最大的一笔，藏起来就会在联调时连本带利还回来。模板的意义与第九章一脉相承：多核不可怕，可怕的是没有书面分工的核间关系。