处理器间调用 (IPC)

[English]

备注

IPC 指 处理器间调用 (Inter-Processor Call)，而不是其他操作系统中所指的 进程间通信 (Inter-Process Communication)。

概述

由于 ESP32 的双核特性，在某些情况下，某个回调必须在特定的内核上下文中运行。例如：

• 为特定内核的中断源分配 ISR，或释放特定内核的中断源时

• 在特定芯片（如 ESP32）上访问某个内核独有的内存，如 RTC Fast Memory 时

• 读取另一个内核的寄存器或状态时

IPC 功能允许一个特定的内核（下文称“调用内核”）触发另一个内核（下文称“目标内核”）的回调函数执行，并允许目标内核在任务上下文或中断上下文中执行回调函数。在不同的上下文中，回调函数的实现限制有所不同。

任务上下文中的 IPC

在应用程序启动时，IPC 功能为每个内核创建一个 IPC 任务，从而在任务上下文中执行回调。当调用内核需要在目标内核中执行回调时，回调将在目标内核的 IPC 任务的上下文中执行。

在任务上下文中使用 IPC 功能时，需考虑以下几点：

• IPC 回调应该尽可能简短。 IPC 回调决不能阻塞或让出。

• IPC 任务是以尽可能高的优先级创建的（即 configMAX_PRIORITIES - 1）。

  • 如果启用了 CONFIG_ESP_IPC_USES_CALLERS_PRIORITY，执行回调前会降低目标内核的 IPC 任务优先级，使其等于调用内核的优先级。

  • 如果禁用了 CONFIG_ESP_IPC_USES_CALLERS_PRIORITY，目标内核将始终以尽可能高的优先级执行回调。

• 如果回调较为复杂，用户可能需要通过 CONFIG_ESP_IPC_TASK_STACK_SIZE 来配置 IPC 任务的堆栈大小。

• IPC 功能受内部互斥锁保护。因此，如果同时收到来自两个或多个调用内核的 IPC 请求，将按照“先到先得”的原则按顺序处理。

API 用法

任务上下文中的 IPC 回调具有以下限制：

• 回调类型必须是 esp_ipc_func_t。

• 回调 决不能阻塞或让出，以免导致目标内核的 IPC 任务阻塞或让出。

• 回调必须避免改变 IPC 任务的任何状态，例如，不能调用 vTaskPrioritySet(NULL, x)。

IPC 功能提供了以下 API，用于在目标内核的任务上下文中执行回调。这两个 API 允许调用内核在回调执行完成前处于阻塞，或者在回调开始执行后立即返回。

• esp_ipc_call() 会在目标内核上触发一个 IPC 调用。在目标内核的 IPC 任务 开始 执行回调前，此函数会一直处于阻塞状态。

• esp_ipc_call_blocking() 会在目标内核上触发一个 IPC。在目标内核的 IPC 任务 完成 回调执行前，此函数会一直处于阻塞状态。

中断上下文中的 IPC

在某些情况下，我们需要快速获取另一个内核的状态，如在核心转储、GDB Stub、各种单元测试和绕过硬件错误的过程中。IPC ISR 功能会在每个内核上保留一个高优先级中断供 IPC 使用，从而在高优先级中断上下文中执行回调。当调用内核需要在目标内核上执行回调时，该回调将在目标内核的高优先级中断的上下文中执行。

在这种情况下，IPC ISR 功能支持在 高优先级中断 上下文中执行回调。

在高优先级中断上下文中使用 IPC 时，需要考虑以下几点：

• 由于回调是在高优先级中断上下文中执行的，因此，回调必须完全用汇编语言编写。如需了解更多关于用汇编语言编写回调的内容，请参阅下文的 API 使用介绍。

• 保留的高优先级中断的优先级取决于 CONFIG_ESP_SYSTEM_CHECK_INT_LEVEL 选项。

当回调执行时，需考虑以下几点：

• 调用内核会禁用 3 级及以下优先级的中断。

• 虽然保留中断的优先级取决于 CONFIG_ESP_SYSTEM_CHECK_INT_LEVEL，但是在执行 IPC ISR 回调期间，无论 CONFIG_ESP_SYSTEM_CHECK_INT_LEVEL 如何设置，目标内核都会禁用 5 级及以下优先级的中断。

API 用法

高优先级中断的 IPC 回调具有以下限制：

• 回调必须是 esp_ipc_isr_func_t 类型，但必须完全用汇编语言实现。

• 回调通过 CALLX0 指令调用，同时禁用寄存器窗口，因此，该回调：

  • 不得调用任何与寄存器窗口相关的指令，例如 entry 和 retw。

  • 由于禁用了寄存器窗口，不得调用其他 C 函数。

• 回调应放在 4 字节对齐的 IRAM 地址上。

• 在调用或返回回调后，寄存器 a2，a3，和 a4 会被自动保存或恢复，从而在回调中使用。回调 只能使用这些寄存器。

  • a2 包含回调的 void *arg。

  • a3/a4 可以作为临时寄存器使用。

IPC 功能提供了下列 API，以在高优先级中断的上下文中执行回调：

• esp_ipc_isr_call() 能够在目标内核上触发一个 IPC 调用。在目标内核 开始 执行回调前，此函数将一直处于忙等待。

• esp_ipc_isr_call_blocking() 能够在目标内核上触发一个 IPC 调用。在目标内核 完成 回调执行前，此函数将一直处于忙等待。

这些函数会中断另一 CPU，并在高优先级中断的上下文中执行回调。常见用法有两种：

• 对于不会进入与另一 CPU 共享的临界区的简单回调，可以直接调用 esp_ipc_isr_call() 或 esp_ipc_isr_call_blocking()。

• 如果调用 CPU 可能进入另一 CPU 使用的临界区，或者需要在另一 CPU 保持停止时执行多个回调，则应先使用 esp_ipc_isr_stall_other_cpu() 或 esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe() 暂停另一 CPU。然后使用 esp_ipc_isr_call() 或 esp_ipc_isr_call_blocking() 执行回调。操作完成后，使用 esp_ipc_isr_release_other_cpu() 释放另一 CPU。

以下示例代码用汇编语言编写了一个高优先级中断 IPC 回调，该回调的作用为读取目标内核的周期计数：

/* esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu(void *arg) */
// 此函数读取目标内核的 CCOUNT，并将其存储到 arg 中。
// 此处仅使用 a2、a3 和 a4 寄存器。
.section    .iram1, "ax"
.align      4
.global     esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu
.type       esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu, @function
// Args:
// a2 - void* arg
esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu:
rsr.ccount a3
s32i    a3, a2, 0
ret

如果不会因为共享临界区而发生死锁，可以直接调用该回调：

uint32_t cycle_count;
esp_ipc_isr_call_blocking(esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu, (void *)&cycle_count);

或者，也可以在进行一次或多次 IPC 调用之前，安全地暂停另一 CPU：

while (esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe() != ESP_OK) {
    // 在生产代码中，可按需添加超时或 yield，以避免无限循环。
}
uint32_t cycle_count;
esp_ipc_isr_call_blocking(esp_test_ipc_isr_get_cycle_count_other_cpu, (void *)&cycle_count);
esp_ipc_isr_release_other_cpu();

备注

对于大多数简单用例，可用的临时寄存器数量是足够的。如果需要在回调函数中使用更多的临时寄存器，可以用 void *arg 指向一个用作寄存器保存区域的 buffer，使回调函数保存或恢复更多的寄存器。前往 system/ipc/ipc_isr 查看示例。

备注

如需查看更多高优先级中断 IPC 回调的示例，请前往 components/esp_system/port/arch/xtensa/esp_ipc_isr_routines.S 和 components/esp_system/test_apps/esp_system_unity_tests/main/port/arch/xtensa/test_ipc_isr.S。

请前往 examples/system/ipc/ipc_isr/xtensa/main/main.c 查看使用示例。

高优先级中断 IPC API 还提供了以下便利函数，这些函数可以暂停或恢复目标内核的执行。这些 API 利用高优先级中断 IPC，但同时提供了自己的内部回调函数：

• esp_ipc_isr_stall_other_cpu()：暂停目标内核。调用内核禁用 3 级及以下级别的中断，而目标内核将在 5 级及以下的中断被禁用的情况下进入忙等待。在调用 esp_ipc_isr_release_other_cpu() 前，目标内核会保持忙等待。

• esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe()：仅当另一内核不在临界区或 ISR 上下文中时，才尝试暂停该内核。如果另一内核处于此类状态，则认为暂停不安全，会释放该内核并返回错误。

• esp_ipc_isr_release_other_cpu()：恢复目标内核。

应用示例

• system/ipc/ipc_isr/xtensa 演示了如何在高优先级中断的上下文中使用 IPC ISR 功能运行 IPC，允许用户快速获取另一个 CPU 的状态，包括两个汇编回调函数，这些回调函数返回另一个核心的 PS 寄存器并在执行基于输入参数的任务时保存/恢复寄存器。

API 参考

Header File

• components/esp_system/include/esp_ipc.h

• This header file can be included with:

  #include "esp_ipc.h"
  

Functions

esp_err_t esp_ipc_call(uint32_t cpu_id, esp_ipc_func_t func, void *arg)

Execute a callback on a given CPU.

Execute a given callback on a particular CPU. The callback must be of type "esp_ipc_func_t" and will be invoked in the context of the target CPU's IPC task.

• This function will block the target CPU's IPC task has begun execution of the callback

• If another IPC call is ongoing, this function will block until the ongoing IPC call completes

• The stack size of the IPC task can be configured via the CONFIG_ESP_IPC_TASK_STACK_SIZE option

备注

In single-core mode, returns ESP_ERR_INVALID_ARG for cpu_id 1.

参数:

• cpu_id -- [in] CPU where the given function should be executed (0 or 1)

• func -- [in] Pointer to a function of type void func(void* arg) to be executed

• arg -- [in] Arbitrary argument of type void* to be passed into the function

返回:

• ESP_ERR_INVALID_ARG if cpu_id is invalid

• ESP_ERR_INVALID_STATE if the FreeRTOS scheduler is not running

• ESP_OK otherwise

esp_err_t esp_ipc_call_blocking(uint32_t cpu_id, esp_ipc_func_t func, void *arg)

Execute a callback on a given CPU until and block until it completes.

This function is identical to esp_ipc_call() except that this function will block until the execution of the callback completes.

备注

In single-core mode, returns ESP_ERR_INVALID_ARG for cpu_id 1.

参数:

• cpu_id -- [in] CPU where the given function should be executed (0 or 1)

• func -- [in] Pointer to a function of type void func(void* arg) to be executed

• arg -- [in] Arbitrary argument of type void* to be passed into the function

返回:

• ESP_ERR_INVALID_ARG if cpu_id is invalid

• ESP_ERR_INVALID_STATE if the FreeRTOS scheduler is not running

• ESP_OK otherwise

Type Definitions

typedef void (*esp_ipc_func_t)(void *arg)

IPC Callback.

A callback of this type should be provided as an argument when calling esp_ipc_call() or esp_ipc_call_blocking().

Header File

• components/esp_system/include/esp_ipc_isr.h

• This header file can be included with:

  #include "esp_ipc_isr.h"
  

Functions

void esp_ipc_isr_call(esp_ipc_isr_func_t func, void *arg)

Execute an ISR callback on the other CPU.

Execute a given callback on the other CPU in the context of a High Priority Interrupt.

• This function will busy-wait in a critical section until the other CPU has started execution of the callback

• The callback must be written:

  • in assembly for XTENSA chips (such as ESP32, ESP32S3). The function is invoked using a CALLX0 instruction and can use only a2, a3, a4 registers. See :doc:IPC in Interrupt Context </api-reference/system/ipc> doc for more details.

  • in C or assembly for RISCV chips (such as ESP32P4).

备注

This function is not available in single-core mode.

备注

This function can be called even if the other core is stalled (either via esp_ipc_isr_stall_other_cpu() or esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe()). This allows safely stalling the other CPU and executing one or more callbacks before releasing it.

参数:

• func -- [in] Pointer to a function of type void func(void* arg) to be executed

• arg -- [in] Arbitrary argument of type void* to be passed into the function

void esp_ipc_isr_call_blocking(esp_ipc_isr_func_t func, void *arg)

Execute an ISR callback on the other CPU and busy-wait until it completes.

This function is identical to esp_ipc_isr_call() except that this function will busy-wait until the execution of the callback completes.

备注

This function is not available in single-core mode.

备注

This function can be called even if the other core is stalled (either via esp_ipc_isr_stall_other_cpu() or esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe()). This allows safely stalling the other CPU and executing one or more callbacks before releasing it.

参数:

• func -- [in] Pointer to a function of type void func(void* arg) to be executed

• arg -- [in] Arbitrary argument of type void* to be passed into the function

void esp_ipc_isr_stall_other_cpu(void)

Stall the other CPU unconditionally.

This function forces the other CPU to enter a busy-wait loop within a High Priority Interrupt context, effectively stalling its execution until esp_ipc_isr_release_other_cpu() is called.

Typical use cases include:

• DPORT workaround (e.g., DPORT or APB registers) on dual-core ESP32 chips prior to v2.0.

• Scenarios where the state of the other CPU does not need to be checked, stalling unconditionally.

Implementation details:

• The function is initialized after FreeRTOS startup.

• When invoked, it signals the other CPU to enter a high-priority interrupt and remain stalled.

• If the other CPU is already in a high-priority interrupt, it is considered stalled.

• The other CPU will remain stalled until esp_ipc_isr_release_other_cpu() is called.

• This function does not check the current state (e.g., critical section or ISR) of the other CPU. To avoid potential deadlocks on spinlocks, use esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe() instead.

• If the stall feature is paused via esp_ipc_isr_stall_pause(), this function has no effect.

备注

Not available in single-core mode.

备注

The caller is responsible for ensuring no deadlocks on spinlocks occur. Use esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe() for safer operation.

esp_err_t esp_ipc_isr_stall_other_cpu_safe(void)

Safely stall the other CPU.

Attempts to stall the other CPU only if it is not currently in a critical section or ISR context. If the other CPU is in a critical section or ISR, the function will return an error.

This helps to prevent potential deadlocks when both CPUs may access shared resources/spinlocks.

备注

This function is intended for scenarios where safe stalling is required and the state of the other CPU must be checked.

返回:

• ESP_OK: The other CPU was successfully stalled.

• ESP_ERR_NOT_ALLOWED: The other CPU is in a critical section or ISR context and cannot be stalled.

bool esp_ipc_isr_is_other_cpu_stalled(void)

Check whether the other CPU is currently stalled.

返回:

true if the other CPU has entered the IPC ISR stall loop, false otherwise.

void esp_ipc_isr_release_other_cpu(void)

Release the other CPU.

This function will release the other CPU that was previously stalled from calling esp_ipc_isr_stall_other_cpu()

• This function is used for DPORT workaround.

• If the stall feature is paused using esp_ipc_isr_stall_pause(), this function will have no effect

备注

This function is not available in single-core mode.

void esp_ipc_isr_stall_pause(void)

Puase the CPU stall feature.

This function will pause the CPU stall feature. Once paused, calls to esp_ipc_isr_stall_other_cpu() and esp_ipc_isr_release_other_cpu() will have no effect. If a IPC ISR call is already in progress, this function will busy-wait until the call completes before pausing the CPU stall feature.

void esp_ipc_isr_stall_abort(void)

Abort a CPU stall.

This function will abort any stalling routine of the other CPU due to a previous call to esp_ipc_isr_stall_other_cpu(). This function aborts the stall in a non-recoverable manner, thus should only be called in case of a panic().

• This function is used in panic handling code

void esp_ipc_isr_stall_resume(void)

Resume the CPU stall feature.

This function will resume the CPU stall feature that was previously paused by calling esp_ipc_isr_stall_pause(). Once resumed, calls to esp_ipc_isr_stall_other_cpu() and esp_ipc_isr_release_other_cpu() will have effect again.

Macros

esp_ipc_isr_asm_call(func, arg)

Execute an ISR callback on the other CPU See esp_ipc_isr_call().

esp_ipc_isr_asm_call_blocking(func, arg)

Execute an ISR callback on the other CPU and busy-wait until it completes See esp_ipc_isr_call_blocking().

Type Definitions

typedef void (*esp_ipc_isr_func_t)(void *arg)

IPC ISR Callback.

The callback must be written:

• in assembly for XTENSA chips (such as ESP32, ESP32S3).

• in C or assembly for RISCV chips (such as ESP32P4).

A callback of this type should be provided as an argument when calling esp_ipc_isr_call() or esp_ipc_isr_call_blocking().

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