在rp-rs/rp-hal项目中实现RP2040多核Flash操作的安全同步机制

引言

在嵌入式开发中，当使用RP2040双核处理器进行Flash存储操作时，一个核心对Flash进行编程时会导致另一个核心无法访问Flash，从而引发系统崩溃。本文将详细介绍如何在Rust嵌入式开发中解决这一关键问题。

问题分析

RP2040的双核架构存在一个固有特性：当任一核心执行Flash编程操作时，整个Flash存储器会被临时禁用。此时另一个核心如果尝试从Flash中取指令，就会立即崩溃。这是因为两个核心默认都直接从Flash执行代码。

技术挑战

传统解决方案是使用C SDK提供的multicore_lockout函数，但rp-rs/rp-hal库中缺少对应的实现。我们需要在Rust中实现类似功能，确保：

1. 一个核心执行Flash操作时，另一个核心能安全暂停
2. 所有相关代码必须完全在RAM中执行
3. 需要处理中断和临界区保护

解决方案实现

核心间通信机制

我们使用RP2040的SIO FIFO作为核间通信通道：

const LOCKOUT_CORE: u32 = 0x69;
const UNLOCKOUT_CORE: u32 = 0x6969;

RAM驻留函数

关键函数必须标记为在RAM中执行：

#[link_section = ".data.ram_func"]
pub fn fifo_is_read_ready() -> bool {
    let sio = unsafe { &(*pac::SIO::ptr()) };
    sio.fifo_st.read().vld().bit_is_set()
}

中断处理实现

设置SIO中断处理函数，同样需要RAM驻留：

#[link_section = ".data.ram_func"]
extern "C" fn fifo_wait_in_ram() {
    if fifo_is_read_ready() {
        if fifo_read() != LOCKOUT_CORE {
            return;
        }
        // 等待解锁信号
        while fifo_is_read_ready() && fifo_read() != UNLOCKOUT_CORE {}
    }
    // 清空FIFO
    while fifo_is_read_ready() { let _ = fifo_read(); }
}

Flash操作封装

使用rp2040-flash库提供的安全Flash操作函数：

flash::flash_range_program(offset, data, data.len());

关键实现细节

1. 函数内联控制：使用#[inline(never)]确保函数不会被内联到Flash中
2. 临界区保护：虽然示例中去掉了临界区保护，但在实际应用中可能需要保留
3. 汇编级验证：必须通过objdump验证生成的代码确实完全在RAM中
4. 缓冲区处理：确保传递给Flash操作的缓冲区正确处理

性能考量

1. 核心暂停期间会引入延迟，需要评估对实时性的影响
2. RAM驻留代码会增加RAM使用量
3. 频繁的核心同步可能影响整体吞吐量

结论

通过精心设计的核间通信机制和严格的RAM代码驻留，我们成功在Rust中实现了RP2040多核Flash操作的安全同步。这一解决方案不仅解决了核心崩溃问题，还为后续的多核Flash应用开发提供了可靠基础。开发者可以根据实际需求调整同步粒度，在安全性和性能之间取得平衡。