基于NiosII的SOPC多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

摘要 詳細(xì)地闡述基于NiosIl和FPGA的多處理器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，討論利用硬件互斥核實(shí)現(xiàn)多處理器資源共享的方法，并給出硬件設(shè)計(jì)的具體步驟以及軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試方法和關(guān)鍵技術(shù)；利用Altera公司提供的QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE等開發(fā)工具，通過一個(gè)3處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性，實(shí)現(xiàn)了3處理器對存儲(chǔ)器資源的共享。
關(guān)鍵詞 SOPC NiosII 多處理器系統(tǒng) 共享存儲(chǔ)器

    兩個(gè)或多個(gè)微處理器一起工作來完成某個(gè)任務(wù)的系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。傳統(tǒng)基于單片機(jī)的多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差；而基于32位的嵌入式軟核處理器NiosII的SOPC(可編程片上系統(tǒng))多處理器系統(tǒng)解決方案，從根本上改變了多處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法。使用Altera公司的NiosII軟核處理器和SOPC Builder工具，可以快速地設(shè)計(jì)和建立共享資源的多處理器系統(tǒng)。多處理器系統(tǒng)一般用于工作站和使用分載(load-sharing)的復(fù)雜算法(稱為“對稱多處理器SMP”)的高端PC計(jì)算。對于大部分嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)SMP的開銷太大時(shí)，使用多個(gè)處理器執(zhí)行不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同的功能正引起越來越多的關(guān)注。Altera公司的FPGA為開發(fā)非對稱的嵌入式多處理器系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。為了提供理想的系統(tǒng)性能，使用SOPC Builder工具可以很容易地對硬件進(jìn)行修改和調(diào)整，從而很快完成不同配置系統(tǒng)的沒計(jì)、編譯和評估。
    本文將對基于NiosII的OSPC多處理器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、設(shè)計(jì)流程和方法進(jìn)行詳細(xì)的討論。

1 NiosII多處理器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    QuartusII 5．O及以上版本支持多處理器系統(tǒng)的創(chuàng)建和調(diào)試。多個(gè)NiosII處理器能夠有效地共享系統(tǒng)資源。由于SOPC Builder允許用戶輕松添加多個(gè)處理器到系統(tǒng)中，因此建立多處理器系統(tǒng)的難點(diǎn)已不再是硬件的排列和連接，而在于多個(gè)處理器的軟件設(shè)計(jì)，使它們正常操作，相互之間不產(chǎn)生沖突。NiosII多處理器系統(tǒng)分為2類：一類是共享資源的多處理器系統(tǒng)；另一類處理器相互獨(dú)立，之間不進(jìn)行信息交換。

2 NiosII多處理器系統(tǒng)的資源共享
    資源共享是多處理器系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，但必須仔細(xì)考慮所要共享的資源，以及不同處理器如何使用共享資源。
2．1 共享存儲(chǔ)器
    在多處理器系統(tǒng)中最普遍的共享資源是存儲(chǔ)器。共享存儲(chǔ)器用于存放任何數(shù)據(jù)，從指示處理器間通信狀態(tài)的簡單標(biāo)志，到被多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行計(jì)算的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
    如果存儲(chǔ)器中包含不只一個(gè)處理器的程序代碼，那么每個(gè)處理器需要有不同的存儲(chǔ)地址。對于程序空間，處理器不能共享存儲(chǔ)器的同一區(qū)域。如果共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)需要從端口與共享存儲(chǔ)器的處理器的數(shù)據(jù)主端口連接。多處理器之問共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器比共享指令存儲(chǔ)器困難，原因是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可讀／寫。如果某一處理器正在對共享存儲(chǔ)器的特定區(qū)域進(jìn)行寫操作，而同時(shí)另一個(gè)處理器正在對同一區(qū)域進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，則很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，至少使應(yīng)用程序出錯(cuò)，甚至使系統(tǒng)崩潰。
    共享存儲(chǔ)器的處理器需要一個(gè)機(jī)制來通知其他處理器何時(shí)正在使用共享資源，以便不受其他處理器的干擾。
2．2 硬件互斥核
    NiosII處理器允許使用其硬件互斥核部件對共享資源進(jìn)行保護(hù)處理。這個(gè)硬件互斥核不是一個(gè)NiosII處理器內(nèi)部的部件，而是一個(gè)稱為Mutex的SOPC Builder組件。
    互斥核也可看作一種共享資源，提供一個(gè)原子的“測試和置位”操作，處理器測試Mutex是否可行。如果可行，就在某個(gè)操作中獲取它。當(dāng)處理器結(jié)束與Mutex相關(guān)的共享資源使用時(shí)，釋放該Mutex；此時(shí)，另一個(gè)處理器可能獲取了Mutex，使用共享資源。互斥核在物理上并不能防止資源同時(shí)被多個(gè)處理器訪問。運(yùn)行在處理器上的軟件必須被設(shè)計(jì)為在訪問相關(guān)共享資源之前總是獲取Mutex的。
    在大部分情況下，多個(gè)處理器之間應(yīng)該使用互斥核來保護(hù)共享資源。然而，也有一些不需要互斥核的，例如對于單方向或循環(huán)的消息緩沖隊(duì)列，此時(shí)只有一個(gè)處理器往存儲(chǔ)器的某個(gè)特殊位置寫數(shù)據(jù)。
    一般地，NiosII不支持多個(gè)處理器之間非存儲(chǔ)器外設(shè)的共享，NiosII硬件抽象層(HAL)庫也不支持。NiosII
HAL提供訪問Mutex核的API函數(shù)如表l所列。

2．3 多處理器地址空間的重疊
    在單處理器系統(tǒng)中，不允許多于一個(gè)的從外設(shè)具有相同的地址空間，原因是這將引起矛盾。然而，在多處理器系統(tǒng)中，只要外設(shè)被不同的處理器控制，那么不同的從外設(shè)就可以具有相同的基地址。

3 NiosII多處理器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序存儲(chǔ)器
    在多處理器系統(tǒng)中，多個(gè)處理器可能使用同一個(gè)程序存儲(chǔ)器，每個(gè)處理器的程序必須存放在不同的位置。NiosII和SOPC Builder提供一個(gè)簡單的存儲(chǔ)器分區(qū)模式，允許多個(gè)處理器在同一存儲(chǔ)器的不同區(qū)域運(yùn)行各自的軟件。分區(qū)模式使用處理器的異常地址，可以在SOPC Builder中進(jìn)行設(shè)置。NiosII IDE負(fù)責(zé)根據(jù)異常地址計(jì)算出不同代碼段鏈接的位置。如果2個(gè)不同的處理器被鏈接到同一存儲(chǔ)器，那么每個(gè)處理器的異常地址用來決定處理器軟件存放的基地址，其末地址由下一個(gè)異常地址或者存儲(chǔ)器的末地址決定。對于每個(gè)處理器，軟件有5個(gè)主要的代碼段需要被鏈接到存儲(chǔ)器中的固定地址。分別是：
    ·text 實(shí)際的可執(zhí)行代碼；
    ·rodata代碼段執(zhí)行時(shí)所使用的常量數(shù)據(jù)；
    ·rwdata讀／寫變量和指針；
    ·heap 動(dòng)態(tài)分配的存儲(chǔ)器；
    ·stack 函數(shù)調(diào)用參數(shù)和其他臨時(shí)數(shù)據(jù)。
    在多處理器系統(tǒng)中，對于每個(gè)處理器，都希望使用連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域存儲(chǔ)其所有的代碼段。在這種情況下，異常地址用來定義2個(gè)處理器之間代碼存放的分界。
    值得注意的是，異常地址的低6位總是設(shè)置為Ox20，因?yàn)槠屏縊xO是NiosII的復(fù)位地址，所以異常地址必須位于其他位置。偏移量選擇為Ox20，原因是它與一條指令的緩存行有關(guān)。Ox20字節(jié)的復(fù)位代碼初始化指令緩存行，然后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)的起始代碼處。
3.2 啟動(dòng)地址
    在多處理器系統(tǒng)中，每個(gè)處理器必須從自己的存儲(chǔ)區(qū)域啟動(dòng)。為了從同一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器中的不同區(qū)域啟動(dòng)多處理器，簡單地設(shè)置每個(gè)處理器的復(fù)位地址為所期望的啟動(dòng)地址。在啟動(dòng)地址之間要留出足夠的空間存放啟動(dòng)代碼。
    NiosII Flash Programmet能夠?qū)⒍鄠€(gè)處理器的啟動(dòng)代碼編程到一個(gè)Flash器件中。Flash Programmer根據(jù)每個(gè)處理器的復(fù)位地址計(jì)算Flash內(nèi)的編程地址。
3.3 Niosll IDE中多處理器系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試
    NiosII IDE中包含許多幫助開發(fā)多處理器系統(tǒng)軟件的工具，最重要的是具有對多處理器同時(shí)進(jìn)行在片調(diào)試的能力。在多處理器系統(tǒng)上，多個(gè)debug(調(diào)試)可同時(shí)運(yùn)行；每個(gè)處理器可以單獨(dú)暫停和恢復(fù)，也可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)處理器的斷點(diǎn)。某個(gè)處理器停在一個(gè)斷點(diǎn)處，并不影響其他處理器的操作。每個(gè)debug通道也可以單獨(dú)打開和停止。在NiosII IDE中，利用一項(xiàng)稱為“處理器集合(mul-tlprocessor collections)”的功能，一個(gè)操作就可以打開多個(gè)處理器的debug通道。multiprocessor collections是被連接在一個(gè)配置名字下的每個(gè)處理器的debug配置組。使用multiprocessor collections的好處是無論何時(shí)打開collections，NiosII IDE都可以打開每個(gè)debug通道，而不
用手動(dòng)打開。也町以用一個(gè)操作停止multiprocessor col-lections，但是同時(shí)暫停和恢復(fù)multiprocessor collections目前不支持。
    multiprocessor collections的打開和停止不是同時(shí)的，這意味著在collections中的處理器不能在同一個(gè)時(shí)鐘周期開始執(zhí)行代碼。事實(shí)上，不同處理器的啟動(dòng)可能有幾秒的延遲。multiprocessor collections的目的是方便打開多處理器系統(tǒng)的debug通道，而不是為了同步處理器。如果需要在較短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)多個(gè)處理器，則需要構(gòu)建單獨(dú)的
硬件和軟件機(jī)制。

4 NiosII多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
    下面將利用SOPC Builder建立一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)模板的3處理器、共享片上存儲(chǔ)器的NiosII系統(tǒng)，之后在NiosIIIDE中為每個(gè)處理器建立一個(gè)軟件工程。系統(tǒng)功能是：3個(gè)CPU的軟件將產(chǎn)生要顯示的消息，使用硬件互斥核將所產(chǎn)生的不同消息放在共享的消息緩沖區(qū)中。cpul將連續(xù)檢查緩沖區(qū)中的新消息，如果發(fā)現(xiàn)新消息，就通過jtag_uart顯示出來。
    實(shí)例的開發(fā)環(huán)境是QuartusII 5．0或以上版本，開發(fā)套件CycloneII Edition和niosII_cycloneII_2c35開發(fā)板。
4．1 創(chuàng)建硬件系統(tǒng)
    在標(biāo)準(zhǔn)硬件實(shí)例standard．qp的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加2個(gè)處理器、2個(gè)定時(shí)器和1個(gè)硬件互斥核組件；另外增加1個(gè)消息緩存區(qū)message_buffer_ram(片上RAM)，用作3個(gè)處理器的消息緩存區(qū)。按如下步驟連接共享資源：
    ①使用連接矩陣，將SDRAM連接到每個(gè)處理器的指令和數(shù)據(jù)主端口。允許3個(gè)處理器訪問SDRAM。
    ②將ext_ram_bus連接到每個(gè)處理器的指令和數(shù)據(jù)主端口。允許3個(gè)處理器訪問外部RAM和Flash。
    ③將message_buffer_ram連接到每個(gè)處理器數(shù)據(jù)主端口。允許3個(gè)處理器訪問該存儲(chǔ)器。
    ④去除在message_buffer_ram和cpul指令主端口之間的缺省連接。
    ⑤選擇System→Auto-Assign Base Addresses，為每個(gè)外設(shè)分配一個(gè)唯一的基地址。
    完成以上操作后，系統(tǒng)配置如圖1所示。3個(gè)處理器的數(shù)據(jù)主端口與共享存儲(chǔ)器的同一從端口連接。因?yàn)閏pul、cpu2和cpu3在物理上能夠同時(shí)將數(shù)據(jù)寫到共享存儲(chǔ)器中，軟件必須仔細(xì)設(shè)計(jì)以保證存儲(chǔ)在共享存儲(chǔ)器上數(shù)據(jù)的完整性。注意：圖l所示的系統(tǒng)配置中，只有cpul的數(shù)據(jù)主端口與jtag_uart相連。

    最后，為3個(gè)CPU設(shè)置復(fù)位和異常地址，創(chuàng)建和編譯系統(tǒng)，并下載FPGA的設(shè)計(jì)文件．sof文件到開發(fā)板。
4.2 為多處理器系統(tǒng)創(chuàng)建軟件
    在NiosII IDE環(huán)境下，為3個(gè)處理器系統(tǒng)分別創(chuàng)建6個(gè)軟件工程，為每個(gè)處理器創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用工程和一個(gè)系統(tǒng)庫工程。之后對軟件工程進(jìn)行編譯、運(yùn)行和調(diào)試。
    軟件使用硬件Mutex共享一個(gè)消息緩存區(qū)。3個(gè)處理器分別寫消息到消息緩存區(qū)(count)且循環(huán)加1。cpul讀消息且通過jtag_uart顯示消息。每個(gè)處理器運(yùn)行同樣的C文件，但處理器的操作稍有不同。這是通過使用NiosII的cpuid實(shí)現(xiàn)的。在NiosII處理器系統(tǒng)中，某個(gè)處理器通過寫其cpuid控制寄存器的值到Mutex寄存器的OwrqER域來對Mt-tex加鎖。cpuid寄存器保持一個(gè)靜態(tài)值，在多處理器系統(tǒng)中，該值唯一地識(shí)別一個(gè)處理器，且在系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)確定。軟件執(zhí)行某個(gè)處理器的函數(shù)時(shí)，首先檢查處理器的cpuid，如果cpuid正確，則執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)。工程中的文件為hello_world_multi．c，其中將信息寫入緩沖區(qū)的功能由以下程序段實(shí)現(xiàn)：

    如果將信息從jtag_uart輸出，那么程序首先判斷id是否等于3。因?yàn)橛布O(shè)計(jì)時(shí)，只有cpul與jtag_uart相連，而cpul的id的值為3(在系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)確定)，cpu2、cpu3的id分別為1和2，且id的值等于cpuid控制寄存器的值加l，可在NiosII IDE環(huán)境下讀取cpuid控制寄存器的內(nèi)容。其信息輸出的程序如下：

    在System Library屬性中，第1個(gè)工程選擇jtag_uart為stdin、stderr和stdout，選擇cpul_timer為the Systemclock timer；第2個(gè)工程選擇cpu2_timer為System clocktimer，驗(yàn)證stdin、stderr和stdout為null，因?yàn)檫@個(gè)處理器不與jtag_uart連接；第3個(gè)工程選擇cpu3_timer為Systemclock timer，其余同工程2。驗(yàn)證這3個(gè)工程的SDRAM被選擇為Program memory、Read-only data memory、Read／write data memory、Heap memory和Stack memory。
    分別經(jīng)編譯、下載、運(yùn)行后，在終端上顯示這3個(gè)處理器產(chǎn)生的消息，如圖2所示。

結(jié)語
    結(jié)果表明，3處理器系統(tǒng)通過硬件互斥核，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器的共享。在此實(shí)例的基礎(chǔ)上，按同樣的方法添加處理器及相應(yīng)的硬件組件，并開發(fā)相關(guān)應(yīng)用軟件，即可實(shí)現(xiàn)滿足不同需求的多處理器系統(tǒng)。