基于RZ/T2H MPU的多核异构实战：9轴电机驱动与EtherCAT控制架构解析

当前，多核处理器已广泛应用于各行各业，嵌入式领域也不例外。本文将基于瑞萨RZ/T2H MPU，深入探讨其在多轴控制与驱动场景下的多核异构应用方案。

本例程运行于RZ/T2H硬件平台，该平台包含两个Cortex-R52实时核和四个Cortex-A55应用核。在该架构中：Cortex-A55核运行Linux操作系统及EtherCAT主站软件；Cortex-R52核1运行EtherCAT从站协议栈，负责与主站进行9轴控制/状态数据的实时交互；Cortex-R52核2则专门负责9轴电机的驱动程序。

基础架构

图一 多核异构的软硬件框架

• EtherCAT 主站：位于CA55 Linux侧，运行CODESYS RUNTIME（EtherCAT Master），负责上位机通信控制，包括EtherCAT主站通信、电机控制指令下发及现场数据采集等。
• EtherCAT 从站：位于CR52_1核，运行EtherCAT从站协议栈，执行EtherCAT数据帧处理与设备对象管理。其运行在裸机环境中，以确保最高的实时性。CA55端的ECAT主站与CR52_1端的ECAT从站通过内部端口直连，数据流无需经过外部网络回环。
• 电机驱动：位于CR52_0核，负责伺服电机驱动（如多轴机器人控制），其功能包括PWM计算与输出、编码器反馈数据采集、电流环/速度环/位置环计算等，同样运行于裸机环境以保证实时性能。

整个数据流路径如下：运行于CA55的CODESYS RUNTIME通过EtherCAT协议向CR52_1发送控制数据，CR52_1解析后通过共享内存转发给CR52_0，CR52_0最终控制外设驱动电机。反之，电机的实时状态数据由CR52_0采集，经由共享内存传递至CR52_1，再通过EtherCAT协议回传至主站。

CA55端使用OpenAMP的RemoteProc启动R52核

图二 remoteProc启动CR52_0和CR52_1

在Linux侧，通过RemoteProc框架来加载并启动运行在R52核上的裸机固件。相关驱动代码位于 /sources/linux-renesas/drivers/remoteproc/rz_rproc.c。

操作结构体
rz_rproc_ops 是一个 struct rproc_ops 类型的结构体，它定义了远程处理器（remoteproc）的核心操作函数集，在驱动探测时被注册。

rproc = devm_rproc_alloc(dev, np->name, &rz_rproc_ops, NULL, sizeof(*pdata));

该结构体包含的关键操作函数有：

• prepare：准备远程处理器资源。
• start：启动远程处理器。
• stop：停止远程处理器。
• da_to_va：执行设备地址到虚拟地址的转换，用于A55核访问R52核的地址空间。
• parse_fw：解析固件。

驱动加载与启动流程
驱动通过设备树匹配 compatible="renesas,rz-cr52" 进行加载。当用户通过sysfs写入固件名并执行启动命令时，内核会触发一系列调用链：

# 加载固件
echo gcc_rzn2h_cr52_0_rpmsg_linux_baremetal_demo.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware
# 启动远程处理器
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state

执行 start 命令后，内核调用链大致为：rproc_boot() -> rz_rproc_prepare() -> request_firmware() -> rz_rproc_parse_fw() -> rz_rproc_start()。

设备树配置分析
设备树节点中定义了关键资源，例如内存区域（SRAM, DDR）、核间通信使用的预留缓冲区（vring/buffer），以及处理器特定的参数。

renesas,rz-core = <0x0>;        // 指定CR52核编号（0或1）
renesas,rz-swint = <10>;        // 使用的软中断通道
renesas,rz-start_address = <0x00000000>;  // 固件加载的起始地址

注意：renesas,rz-start_address 必须与固件编译时指定的链接地址一致。例如，CR52_0的启动地址常设为0x00000000，而CR52_1可能为0x10061000。

启动函数实现简析
在 rz_rproc_start() 函数中，主要完成以下工作：

1. 映射并配置电源控制寄存器（PRCRS/PRCRN），使能相关功能。
2. 通过ioremap建立CA55核访问R52核内存（如ATCM, BTCM, SRAM）的地址映射。这些映射关系在芯片手册中有明确说明。
3. 将编译好的固件（firmware）拷贝到R52核对应的内存区域。
4. 通过写入特定的复位控制寄存器（如SWRCPU0）的值来释放并对R52核进行复位，随后该核便开始执行固件代码。

一个典型的启动脚本如下：

# 指定固件
echo CR52_0_motor.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware
echo CR52_1_ECAT.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc1/firmware
# 启动远程核
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc1/state

CR52_0 与 CR52_1 之间的数据共享

这两个实时核之间通过共享内存进行高速数据交换，辅以核间中断实现同步，从而传递电机控制参数与状态信息。这里利用了瑞萨FSP（Flexible Software Package）提供的 r_shared_memory 驱动模块。

图四 CR52_0与CR52_1之间的数据共享

数据传输流程

1. 发送方（CR52_1）：使用SHARED_MEMORY API将结构化的控制数据写入到双方共享的内存区域。为提升效率，通常只在数据实际发生变化时才执行写入操作。写入完成后，CR52_1触发一个核间中断通知CR52_0。
2. 接收方（CR52_0）：在收到核间中断后，中断服务例程被触发，CR52_0从共享内存区读取最新数据。读取完成后，会在回调函数中设置一个软件标志位，通知主循环数据处理完成。

图五 数据共享的消息序列图

在RZ/T2H芯片自带的2MB系统SRAM中，为CR52_0和CR52_1之间的数据共享预留了1.5KB的空间，其地址映射关系如图六所示。通过精细的中断和共享内存管理，可以构建高效的实时控制系统，这也是实现复杂网络/系统间通信的基础。

图六 数据共享地址

RZ/T2H 多核启动顺序

图七 T2H多核启动顺序

RZ/T2H上电后的启动流程是一个多阶段的过程：

1. BootROM：系统上电后，首先执行芯片内部的BootROM代码。它总是从CR52_0的启动介质（如QSPI Flash）中加载第二阶段引导程序（BL2）到系统RAM中。
2. BL2：BL2执行后，会根据配置将第三阶段引导程序（BL3）和U-Boot加载到DDR内存中，然后跳转到BL3。
3. BL3：BL3主要完成一些早期硬件初始化和安全配置，为U-Boot的运行做好准备，然后跳转到U-Boot。
4. U-Boot：作为功能丰富的引导加载程序，U-Boot负责加载Linux内核、设备树 blob（DTB）和根文件系统镜像，并最终启动Linux内核。掌握Linux的引导过程对于嵌入式开发至关重要。
5. Linux 内核：Linux内核启动后，初始化系统各项服务。
6. 启动R52核：最后，通过前文详述的Linux内核中的remoteproc框架，按顺序加载并启动CR52_0和CR52_1上的专用固件，完成整个多核系统的启动。

至此，一个由CA55核处理复杂应用和网络通信、两个R52核分别负责实时EtherCAT通信和高性能电机驱动的“驱控一体”多核异构系统便搭建完成。