雙核系統(tǒng)的基本概念和結(jié)構(gòu)

?雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計?是指在雙核系統(tǒng)中，設(shè)計用于實(shí)現(xiàn)兩個處理器核心之間數(shù)據(jù)交換和通信的接口。這些接口確保兩個處理器核心能夠有效地共享數(shù)據(jù)和資源，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

雙核系統(tǒng)的基本概念和結(jié)構(gòu)

雙核系統(tǒng)是指在一個處理器芯片上集成兩個獨(dú)立的處理器核心，每個核心都具有完整的運(yùn)算能力。這種設(shè)計可以顯著提高處理器的并行處理能力，從而提升系統(tǒng)的整體性能。雙核處理器的工作原理是通過并行總線將兩個核心連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的共享和協(xié)調(diào)?1。

雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計方法

雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計通常包括以下幾種方法：

?共享內(nèi)存?：通過共享內(nèi)存區(qū)域，兩個核心可以讀寫相同的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和傳遞。這種方法簡單且高效，但需要解決訪問沖突的問題?2。

?中斷機(jī)制?：利用中斷信號來通知一個核心處理來自另一個核心的消息或事件。中斷機(jī)制可以減少核心之間的直接交互，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈活性?2。

?消息傳遞?：通過消息隊列或其他通信機(jī)制，一個核心可以向另一個核心發(fā)送消息或數(shù)據(jù)。這種方法適用于復(fù)雜的交互場景，能夠提供更高的靈活性和可靠性?3。

雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計實(shí)例

以ARM和DSP雙核系統(tǒng)為例，系統(tǒng)設(shè)計充分利用了ARM和DSP的各自特點(diǎn)。ARM芯片主要用于控制和少量的數(shù)據(jù)處理，而DSP芯片則專注于高速的數(shù)字信號處理。系統(tǒng)通過共享內(nèi)存和中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)兩個核心之間的通信和數(shù)據(jù)交換，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性?4。

雙核處理器就是在一個處理器基板上集成兩個功能相同的處理器核心，即將兩個物理處理器核心整合入一個內(nèi)核中。處理器實(shí)際性能是處理器在每個時鐘周期內(nèi)所能處理指令數(shù)的總量，因此增加一個內(nèi)核，處理器每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。AMD的雙核技術(shù)它并不只是簡單地將兩個Opteron處理器核心集成在一個硅晶片(Die)上，與單核Opteron相比，它增添了“系統(tǒng)請求接口”(System Request Interface，SRI)和“交叉開關(guān)”(Crossbar Switch)。它們的作用據(jù)AMD方面介紹應(yīng)是對兩個核心的任務(wù)進(jìn)行仲裁、及實(shí)現(xiàn)核與核之間的通信。它們與集成的內(nèi)存控制器和HyperTransport總線配合，可讓每個核心都有獨(dú)享的I/O帶寬、避免資源爭搶，實(shí)現(xiàn)更小的內(nèi)存延遲，并提供了更大的擴(kuò)展空間，讓雙核能輕易擴(kuò)展成為多核。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)硬件核心是各種類型的8位和16位單片機(jī);而近年來32位處理器以其高性能、低價格,得到了廣泛的應(yīng)用。近年來,又出現(xiàn)了另一類數(shù)據(jù)密集處理型芯片DSP。DSP由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專門的硬件乘法器和特殊的指令,使其能快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實(shí)時性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高,操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng),如 Linux等,隨著自身不斷的改善,得到了飛速的發(fā)展。Linux是一個免費(fèi)的、強(qiáng)大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴(kuò)充性的操作系統(tǒng)。Linux實(shí)現(xiàn)了許多現(xiàn)代化操作系統(tǒng)的理論,并且支持完整的硬件驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與多處理器的架構(gòu),其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用。

基于上述分析,筆者開發(fā)了基于ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了ARM和DSP的各自特點(diǎn),既可以使用ARM和DSP芯片進(jìn)行協(xié)同開發(fā),也可以利用ARM或DSP進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)。操作系統(tǒng)選用了Linux,以利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

由于ARM芯片的控制性能較強(qiáng),在嵌入式系統(tǒng)中ARM主要用于控制和少量的數(shù)據(jù)處理。這樣,一方面要求CPU要低功耗和有足夠的時鐘頻率來運(yùn)行操作系統(tǒng),以滿足便攜式的要求;另一方面也要求其有足夠種類的接口,以利于性能的擴(kuò)展?；谝陨峡紤],在開發(fā)平臺中選用HY7202作為CPU。

DSP作為數(shù)據(jù)運(yùn)算部分,可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨(dú)特優(yōu)勢。TI公司的C54xx系列16位定點(diǎn)DSP以其高性價比普遍應(yīng)用于各類通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中?？紤]到對數(shù)字視頻和數(shù)字圖像等大數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用場合的處理要求,選用TI公司的TMS320C5416芯片。其時鐘頻率最高可達(dá)到 206 MHz,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示,軟件平臺分ARM部分和DSP部分,以及ARM和DSP的接口軟件設(shè)計部分。ARM部分以Hynix公司PATCH的ARM Linux Version 2.4.18為操作系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)之上移植Linux標(biāo)準(zhǔn)庫GLIBC、LIBJPG、LIBPNG、IMLIB、LIBWWW、LIBFLASH及漢字庫。圖形界面以Microwindows 0.9及其控件庫FLNX提供嵌入式圖形界面平臺。系統(tǒng)平臺具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,通過平臺WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網(wǎng)絡(luò)工具和應(yīng)用程序能方便地開發(fā)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)終端、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品。在應(yīng)用程序?qū)由?系統(tǒng)平臺集成窗口管理程序, 全中文化網(wǎng)絡(luò)瀏覽器(支持HTML、XML),Flash播放器(支持Flash4、Flash5、Flash6),文本編輯器,游戲等用于PDA開發(fā), 機(jī)頂盒上網(wǎng)解決方案,以及可用于嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理的虛擬示波器等。

DSP部分通過提供完整的HPI驅(qū)動程序(DSP部分)及通信協(xié)議,通過增加相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程控制算法程序,利用HPI并行接口與主機(jī)ARM通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,可用于各種實(shí)時處理,控制領(lǐng)域。

此外,DSP和ARM可以各自作為獨(dú)立的系統(tǒng)使用,它們均有完整的子系統(tǒng)軟件。子系統(tǒng)之間聯(lián)系的核心是DSP器件本身帶有的HPI接口。

2 ARM和DSP的通信接口設(shè)計

(1) DSP的HPI口介紹

HPI是TMS320C54X等芯片提供的一種并行端口,專門用于DSP和外部主機(jī)并行通信。HPI接口有標(biāo)準(zhǔn)HPI接口和增強(qiáng)型HPI接口。對于C5416和C5420DSP器件,它們的主機(jī)接口為增強(qiáng)型主機(jī)接口。標(biāo)準(zhǔn)HPI接口是一個8位總線接口,通過2個8位字節(jié)組合在一起形成1個16 字。增強(qiáng)型HPI接口分8位和16位兩種。8位增強(qiáng)型主機(jī)接口和標(biāo)準(zhǔn)HPI接口操作時序一樣,主要區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)型只能訪問2 KB專用RAM,而增強(qiáng)型可以訪問DSP的整個RAM區(qū)。16位增強(qiáng)型HPI接口采用16位總線,只要一個主機(jī)操作就能完成訪問操作。

(2) HPI硬件連

HMS30C7202與TMS320C5416接口電路如圖3所示。系統(tǒng)將HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器統(tǒng)一編址,映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000開始的I/O內(nèi)存空間。

利用地址線RA[3:0]產(chǎn)生HPI訪問所需的控制信號。A0與A1決定訪問寄存器類型。A2決定訪問的是第一個字節(jié)還是第二個字節(jié)：A2=0 時,表示寫入的數(shù)據(jù)為第一個字節(jié);A2=1時,表示寫入的數(shù)據(jù)為第二個字節(jié)。在HPI-8中所有地址線和控制線是在HDS1和HDS2的下降沿采樣,而不是由HR/W決定,因此HR/W通過地址線A3表示當(dāng)前操作是讀還是寫,而數(shù)據(jù)鎖存信號由nRCS3和nRW0相與后共同產(chǎn)生。KSCAN[2]設(shè)置為 HMS30C7202的PORTA中斷輸入腳,DSP通過中斷方式與Linux底層HPI驅(qū)動程序通信。

3 ARM和DSP的通信接口驅(qū)動程序設(shè)計

Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種。在Linux下編寫驅(qū)動程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng),但它和DOS或Window 環(huán)境下的驅(qū)動程序有很大的區(qū)別。Linux驅(qū)動程序可以編譯進(jìn)內(nèi)核,也可以模塊形式動態(tài)地加入和卸載。Linux的這種特點(diǎn)可根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)裁減內(nèi)核,更適合于嵌入式系統(tǒng)。

(1) Linux驅(qū)動程序基本原理

在Linux中所有設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種,所有設(shè)備都看成普通文件,因此可以通過用操縱普通文件相同的系統(tǒng)調(diào)用來打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備。系統(tǒng)中每個設(shè)備都用一種設(shè)備特殊文件來表示。

在Linux中,設(shè)備驅(qū)動程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合。它包含設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序,每個設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備。其目的就是從與設(shè)備無關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行一條請求時,具體操作是根據(jù)控制器驅(qū)動程序提供的接口,并利用中斷機(jī)制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來完成這個請求。設(shè)備程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。在Linux下驅(qū)動程序裝載如圖4所示。

(2) HPI驅(qū)動程序

HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系統(tǒng)平臺采用I/O存取方式,將HPI訪問控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器,映射到內(nèi)存物理地址為0X0C000000開始的空間,通過訪問存儲器指令對HPI進(jìn)行操作。HPI具體物理地址定義如下：

#defineHPI_BASE0X0C000000//HPI基地址

#define HPD_READ_LOWHPI_BASE+0X0012

//讀數(shù)據(jù)寄存器第一字節(jié) ?

#define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C

//寫地址寄存器第二字節(jié)

在Linux下,類似Windows,程序不能直接訪問物理地址。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,它像內(nèi)核中其他代碼一樣運(yùn)行在內(nèi)核模式,驅(qū)動程序如果出錯就會使系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞,因此需要將物理地址映射到內(nèi)核空間。在Linux下通過virtul_address=(u32)ioremap (HPI_BASE,HPI_LENGTH)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動程序主要結(jié)構(gòu)如下：

struct file_operations hpi_fops={

owner:THIS_MODULE,

read: hpi_read,

write: hpi_write,

poll : hpi_poll,

open: hpi_open,

release: hpi_release,

};

HPI通信協(xié)議采用幀結(jié)構(gòu),由于增強(qiáng)型HPI接口允許訪問DSP內(nèi)部RAM所有空間,系統(tǒng)通信在DSP內(nèi)部分配2 K字(16位)作為幀緩沖區(qū),讀寫各1 K字,協(xié)議采用一位滑動窗口協(xié)議。幀格式如表1所列。

本文介紹了使用ARM和DSP雙CPU構(gòu)成的雙核嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺,以及源代碼開放的Linux作為嵌入式系統(tǒng)中操作系統(tǒng)的方法,給出了系統(tǒng)設(shè)計的總體框圖,詳細(xì)介紹了ARM和DSP通信接口的設(shè)計。這一設(shè)計方法可以適用于大多數(shù)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計,有一定的實(shí)用價值。