说明¶
概述¶
架构3实现了 DMA + 双核分工模式，其中数据采集和处理分配给不同的 CPU 核心。该架构通过利用双核 ESP32 平台的两个核心，提供最高性能，实现采集和处理之间的真正并行。
架构原理¶
双核分工¶
该架构在两个 CPU 核心之间分配工作：
- Core 0：Producer 任务（使用 DMA 进行数据采集）
- Core 1：Consumer 任务（数据处理）
- 双缓冲：用于并行操作的乒乓缓冲区机制
- 核心绑定：任务显式绑定到特定核心
- 真正并行：采集和处理在不同核心上同时运行
关键设计决策¶
- 核心分配：Producer 在 Core 0，Consumer 在 Core 1
- 任务绑定：使用
xTaskCreatePinnedToCore()确保任务在特定核心上运行 - 双缓冲：与架构2相同的乒乓机制
- DMA 支持：SPI 传输自动使用 DMA
- 核心隔离：每个核心处理其专用任务，无干扰
实现细节¶
基于定时器的采样¶
- ESP 定时器：创建周期定时器，周期 =
1,000,000 / sampling_frequency_hz微秒 - 定时器回调：在定时器上下文中执行，通过
xTaskNotify通知 Producer 任务（Core 0） - 立即首次采样：在启动周期定时器之前执行一次采样
Producer 任务（Core 0）¶
优先级：10（高优先级，用于及时采集）
核心分配：通过 xTaskCreatePinnedToCore() 绑定到 Core 0
功能：
- 仅在 Core 0 上运行
- 通过
xTaskNotifyWait等待定时器通知 - 读取传感器数据（DMA 自动处理 SPI 传输）
- 准备带时间戳的样本结构
- 在互斥锁保护下写入活动缓冲区（A 或 B）
- 当缓冲区满时：
- 标记缓冲区为就绪
- 切换到另一个缓冲区
- 通过信号量通知 Consumer（Core 1）
- 重置写索引
- 更新采集统计
核心隔离：Producer 任务仅在 Core 0 上运行，确保采集的专用 CPU 时间
Consumer 任务（Core 1）¶
优先级：10（高优先级，用于处理）
核心分配：通过 xTaskCreatePinnedToCore() 绑定到 Core 1
功能：
- 仅在 Core 1 上运行
- 等待缓冲区就绪信号量（A 或 B）
- 获取就绪缓冲区的互斥锁
- 处理缓冲区中的所有样本
- 标记缓冲区为已处理并重置就绪标志
- 更新处理统计
- 输出结果（串口、MQTT、LCD）
核心隔离：Consumer 任务仅在 Core 1 上运行，确保处理的专用 CPU 时间
双缓冲机制¶
缓冲区大小：每个缓冲区 256 样本（可通过 RT_DMA_DC_BUFFER_SIZE 配置）
内存：两个缓冲区都从 PSRAM 分配
同步：
- 每个缓冲区的互斥锁（保护跨核心访问）
- 每个缓冲区的二进制信号量（信号表示就绪）
- 用于缓冲区就绪状态的易失性标志
操作流程：
- Producer（Core 0）填充缓冲区 A
- 当缓冲区 A 满时，Producer 切换到缓冲区 B 并通知 Consumer（Core 1）
- Consumer（Core 1）处理缓冲区 A，同时 Producer（Core 0）填充缓冲区 B
- 当缓冲区 B 满时，Producer 切换到缓冲区 A 并通知 Consumer
- Consumer 处理缓冲区 B，同时 Producer 填充缓冲区 A
- 循环重复，实现真正并行
图：双缓冲（乒乓缓冲）机制示意图，采用双核分工 - Producer 在 Core 0，Consumer 在 Core 1
核心绑定¶
任务使用 xTaskCreatePinnedToCore() 显式绑定到核心：
// Producer 在 Core 0
xTaskCreatePinnedToCore(
producer_task,
"rt_dma_dc_producer",
RT_DMA_DC_PRODUCER_STACK_SIZE,
NULL,
RT_DMA_DC_PRODUCER_PRIORITY,
&s_producer_task_handle,
RT_DMA_DC_PRODUCER_CORE // Core 0
);
// Consumer 在 Core 1
xTaskCreatePinnedToCore(
consumer_task,
"rt_dma_dc_consumer",
RT_DMA_DC_CONSUMER_STACK_SIZE,
NULL,
RT_DMA_DC_CONSUMER_PRIORITY,
&s_consumer_task_handle,
RT_DMA_DC_CONSUMER_CORE // Core 1
);
DMA 支持¶
- 自动 DMA：ESP-IDF SPI 驱动自动使用 DMA 进行传输
- CPU 减少：DMA 处理数据传输，释放 Core 0 用于其他任务
- 非阻塞：使用 DMA 的 SPI 操作是非阻塞的
数据流¶
ESP 定时器 → 定时器回调 → xTaskNotify → Producer 任务（Core 0）
↓
读取传感器（SPI + DMA）
↓
活动缓冲区（A 或 B）
↓
缓冲区满 → 切换缓冲区
↓
信号量信号 → Consumer 任务（Core 1）
↓
处理缓冲区（Core 1）
↓
┌───────────────────┴───────────────────┐
↓ ↓ ↓
串口 MQTT LCD
配置¶
默认配置¶
#define RT_DMA_DC_BUFFER_SIZE 256
#define RT_DMA_DC_PRODUCER_PRIORITY 10
#define RT_DMA_DC_CONSUMER_PRIORITY 10
#define RT_DMA_DC_PRODUCER_STACK_SIZE 4096
#define RT_DMA_DC_CONSUMER_STACK_SIZE 8192
#define RT_DMA_DC_PRODUCER_CORE 0
#define RT_DMA_DC_CONSUMER_CORE 1
配置参数¶
- 采样频率：0.1 - 10000 Hz（初始化时验证）
- 缓冲区大小：每个缓冲区 256 样本（编译时固定）
- 总内存：256 × 2 × 32 字节 = 16 KB，来自 PSRAM
- Producer 核心：Core 0（固定）
- Consumer 核心：Core 1（固定）
功能特性¶
优势¶
- 最高性能：利用两个 CPU 核心实现真正并行
- 核心隔离：每个任务有专用 CPU 核心
- 低 CPU 使用率：DMA 处理传输，Core 0 有更多空闲时间
- 最高吞吐量：计算密集型处理的最佳性能
- 无核心竞争：Producer 和 Consumer 从不竞争同一核心
限制¶
- 需要双核：仅在双核 ESP32 平台上工作
- 内存使用较高：需要两个缓冲区（双倍内存）
- 固定核心分配：核心分配在编译时固定
- 缓冲区覆盖风险：如果 Consumer 无法跟上，缓冲区可能被覆盖
性能特征¶
适用频率范围¶
- 有效范围：0.1 - 10000 Hz（初始化时验证）
- 推荐：最高性能需求（通常 1 kHz - 10 kHz）
- 最大：最高 10 kHz（验证限制）
- 最小：0.1 Hz（实际限制）
资源使用¶
- 内存：两个缓冲区（256 样本 × 2 × 32 字节 = 16 KB，来自 PSRAM）
- CPU Core 0：Producer 任务（采集）
- CPU Core 1：Consumer 任务（处理）
- 同步：两个互斥锁和两个二进制信号量（跨核心）
使用注意事项¶
- 双核要求：此架构需要双核 ESP32 平台
- 初始化顺序：必须在
arch_dma_dc_set_sensor_handle()之前调用arch_dma_dc_init() - 传感器句柄：启动前必须设置
- 缓冲区监控：监控统计中的
overwrite_count以检测 Consumer 是否落后 - 核心验证：任务在启动时记录其核心 ID 用于验证
- 处理延迟：处理延迟取决于缓冲区填充时间（buffer_size / sampling_frequency）
错误处理¶
- 互斥锁超时：如果无法在 10ms 内获取互斥锁，Producer 丢弃样本
- 缓冲区未初始化：如果缓冲区未就绪，丢弃样本
- 传感器读取失败：记录日志但不停止处理
- 任务创建失败：返回错误，清理资源
线程安全¶
- 跨核心同步：互斥锁和信号量跨核心工作
- 任务隔离：Producer（Core 0）和 Consumer（Core 1）正确隔离
- 信号量通知：二进制信号量提供安全的跨核心通信
- 统计：在互斥锁保护的部分内原子更新
核心分配验证¶
任务在启动时验证其核心分配：
ESP_LOGI(TAG, "Producer task started on Core %d (DMA + Dual Core mode)",
xPortGetCoreID());
ESP_LOGI(TAG, "Consumer task started on Core %d (DMA + Dual Core mode)",
xPortGetCoreID());
这允许验证任务是否在正确的核心上运行。