基于消息機(jī)制的片上多處理器系統(tǒng)的研究

摘要：描述了一種基于消息機(jī)制構(gòu)建的片上多處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，運(yùn)用消息進(jìn)行通信，并且從處理器之間彼此相互獨(dú)立，在硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)上保持一致。這樣不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更使得系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)性與穩(wěn)定性。最后在Quartus軟件中設(shè)計(jì)并且綜合，在該系統(tǒng)下運(yùn)行JPEG編碼算法，當(dāng)運(yùn)行于100 MHz時(shí)，測(cè)得系統(tǒng)在不同個(gè)數(shù)處理器時(shí)的處理性能，滿足了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：多處理器；消息機(jī)制；FPGA；DMA

引言
如今，數(shù)字處理技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，各種復(fù)雜算法的提出與處理精度的提高，都使得需要處理的數(shù)據(jù)量變得越來越大。而提高系統(tǒng)處理性能主要有提高處理器的頻率、采用多處理器系統(tǒng)2種方法。在單處理器頻率提升達(dá)到瓶頸的情況下，多處理器系統(tǒng)成為提高系統(tǒng)性能的一種有效方式。
近年來，多處理器系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，但大部分的多處理器系統(tǒng)都是針對(duì)特定的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，這類系統(tǒng)耦合度高，任務(wù)分解充分，執(zhí)行效率高。同時(shí)，這類系統(tǒng)開發(fā)難度較大，針對(duì)性強(qiáng)，不具有通用性，且當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)處理器出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將面臨崩潰。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升多處理器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文提出了一種基于消息機(jī)制構(gòu)建的多處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主處理器運(yùn)行管理系統(tǒng)，從處理器完成用戶指定的任務(wù)。從處理器彼此之間相互獨(dú)立，可相互替代，并在硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)上保持一致。這樣不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更使得系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)性與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。

1 多處理器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的多處理器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要包括一個(gè)主控制器模塊及多個(gè)從處理器模塊。

主控制器主要負(fù)責(zé)消息的分配與跟蹤，控制DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速移動(dòng)等。從處理器則根據(jù)主控制器分配的任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)的處理。系統(tǒng)上還集成了多種系統(tǒng)外設(shè)，如RS232、定時(shí)器、JTAG接口、多種存儲(chǔ)控制器等。
主控制器模塊及從處理器模塊中使用的處理器是Nios Ⅱ嵌入式軟核處理器，選用的是快速型。該處理器是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式處理器，可根據(jù)需要配置為快速、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)3種類型，提供滿足性能與成本的最佳方案。每個(gè)模塊中都配備1個(gè)FIFO，用于存儲(chǔ)消息；配備2個(gè)RAM存儲(chǔ)器，組成乒乓結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù)，同時(shí)可用于DMA傳輸控制。
主控制器模塊與多個(gè)從處理器模塊構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。主控制器集中管理所有的從處理器模塊；所有的從處理器模塊相互獨(dú)立，互不影響，運(yùn)行時(shí)可相互替代。主控制器模塊與系統(tǒng)的所有外設(shè)及所有的從處理器模塊都是通過Avalon總線相互連接。該總線是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的片內(nèi)總線，處理器可通過該總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 通信機(jī)制的設(shè)計(jì)
在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，各個(gè)模塊之間都采用消息進(jìn)行通信，如主控制器與從處理器之間的通信、處理任務(wù)的分配、處理結(jié)果的反饋等。對(duì)于數(shù)據(jù)的傳遞，如果數(shù)據(jù)量比較小，可以把數(shù)據(jù)附在消息中進(jìn)行傳遞；如果數(shù)據(jù)量比較大，則用DMA進(jìn)行存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器之間的快速移動(dòng)。
2. 1 消息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
消息是該系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，因此定義一種結(jié)構(gòu)通用又易于識(shí)別的消息結(jié)構(gòu)顯得十分重要。在該系統(tǒng)中，采用的是可變長(zhǎng)度的消息結(jié)構(gòu)：{類型；長(zhǎng)度；子類型；參數(shù)1；參數(shù)2；…；參數(shù)N}。
其中長(zhǎng)度指的是其后的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，不包括類型及自身。這樣處理有利于消息的傳遞與讀取。在消息結(jié)構(gòu)中，類型、長(zhǎng)度、子類型這3個(gè)字段在消息中的位置固定，有利于消息的解析。如根據(jù)消息中的類型與子類型字段，可快速轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)長(zhǎng)度字段，可準(zhǔn)確地判斷消息中參數(shù)的個(gè)數(shù)；將“子類型”排在“長(zhǎng)度”之后，則有利于消息的讀取。
2．2 消息的傳遞
消息的傳遞過程就是向目標(biāo)消息存儲(chǔ)器FIFO寫入消息數(shù)據(jù)的過程。由于系統(tǒng)采用的是主從結(jié)構(gòu)，當(dāng)消息在控制器與處理器之間的不同方向傳遞時(shí)，傳遞過程并不相同。