可最大程度地發(fā)揮Zynq SoC優(yōu)勢的雙重方法

賽靈思Zynq-7000全可編程 SoC的眾多優(yōu)勢之一就是擁有兩個ARM Cortex-A9板載處理器。不過，很多裸機應用和更為簡單的操作系統(tǒng)只使用Zynq SoC處理系統(tǒng)(PS)中兩個ARM內核中的一個，這種設計方案可能會限制系統(tǒng)性能。

根據所開發(fā)的應用類型不同，可能需要這兩個處理器都運行裸機應用，或者需要在每個處理器上運行不同的操作系統(tǒng)。例如，其中一個處理器執(zhí)行關鍵計算任務，從而運行裸機/RTOS應用，同時第二個處理器通過Linux提供HMI和通信功能。

什么是多處理?

這兩種方案都屬于多處理。簡單定義：多處理就是在一個系統(tǒng)中使用一個以上的處理器。多處理架構可允許一次執(zhí)行多個指令，但并非必須如此。

多核處理包括兩種類型：對稱和非對稱。

對稱多處理是通過將負載分配給多個內核，從而能夠同時運行多個軟件任務。而非對稱多處理(AMP)則是使用專用處理器，或者針對特定應用或任務在相同處理器上執(zhí)行應用。

根據定義，使用Zynq SoC上的兩個內核執(zhí)行裸機應用或不同操作系統(tǒng)都屬于非對稱多處理。Zynq SoC上的AMP可能涉及如下幾種組合：

• 在內核0和內核1上運行不同操作系統(tǒng);

• 在內核0上運行操作系統(tǒng)，在內核1上運行裸機應用(反之亦然);

• 在兩個內核上均運行裸機應用，執(zhí)行不同程序。

當您決定在Zynq SoC上創(chuàng)建AMP系統(tǒng)時必須考慮一個實際問題，即ARM處理器內核同時包含必須進行正確尋址的私有資源和共享資源。這兩個處理器都有私有的L1指令和數據高速緩存、定時器、監(jiān)視時鐘以及中斷控制器(針對共享和私有中斷)。另外還存在一些共享資源，常見的有I/O外設、片上存儲器、中斷控制器分配器、L2高速緩存和位于DDR存儲器中的系統(tǒng)內存(見圖1)。這些私有和共享資源均需要精心管理。

每個PS核都有自己的中斷控制器，能夠利用軟件中斷實現自身與一個或兩個內核的中斷。這些中斷通過ARM的分布式中斷控制器技術完成分配。

由于針對每個內核執(zhí)行的程序都位于DDR存儲器內，因此您必須特別注意以確保對這些應用進行正確分割。

建立AMP

建立AMP并使其運行在Zynq SoC上所需的關鍵因素是引導載入程序，該程序會在第一個應用載入到存儲器后尋找第二個可執(zhí)行文件。賽靈思在XAPP1079中提供了有用的應用指南和源代碼。該文檔包含修改后的第一階段引導載入程序(FSBL)和獨立OS，可用來創(chuàng)建AMP系統(tǒng)。

首先要做的是下載與應用說明配套提供的ZIP文件，再將FSBL和OS這兩個要素解壓到期望的工作目錄。然后，必須給名為SRC“design”的文件夾重新命名。現在，非常重要的一點是一定要確保軟件開發(fā)套件(SDK)知道這些新文件(修改后的FSBL和獨立OS，兩者兼?zhèn)?的存在。因此，下一步需要更新您的SDK庫，以便使其知道這些新文件的存在。

使用軟件中斷與硬件中斷基本相似，區(qū)別只在于您如何觸發(fā)它們。

這很容易實現。在SDK中賽靈思工具菜單下選擇“庫”，然后選擇“新建”，隨之導航到目錄位置您的工作目錄> app1079designworksdk_repo，如圖2所示。

處理器間的通信

為AMP設計創(chuàng)建應用之前，您需要考慮應用如何進行通信(如有需要)。最簡單的方法是使用片上存儲器。Zynq SoC配備256KB的片上SRAM，可從以下四個源地址進行訪問：

• 利用偵測控制單元(SCU)從任意內核進行訪問;

• 利用SCU通過AXI加速器一致性端口(ACP)從可編程邏輯進行訪問;

• 利用片上存儲器(OCM)互聯(lián)通過高性能AXI端口從可編程邏輯進行訪問;

• 也是利用OCM從中央互聯(lián)進行訪問。

圖1 – Zynq SoC處理系統(tǒng)，顯示私有和共享資源

圖2 — 將您的新文件添加到庫

由于這些不同的訪問源都能對片上存儲器進行讀寫，因此尤為重要的一點是，在使用OCM之前一定要首先詳細了解其的運行方式。

既然OCM有多個訪問源，那么顯然應該定義一個仲裁和優(yōu)先級形式。由于偵測控制單元需要最低時延(SCU既可以是處理器內核也可以是AXI ACP接口)，因此SCU從這些訪問源的讀操作就具有最高優(yōu)先級，緊接著是SCU寫操作，然后是OCM互聯(lián)讀/寫操作。用戶可通過將片上存儲器控制寄存器中的SCU寫操作的優(yōu)先級設置為低來顛倒SCU寫操作和OCM互聯(lián)訪問的優(yōu)先級。

OCM本身結構為128位字，分成四個64KB分區(qū)，并位于PS地址空間的不同位置。初始配置下，前三個64KB區(qū)塊布置在地址空間的起始位置，最后一個64KB區(qū)塊置于地址空間的末尾(見圖5)。

簡單的片上存儲器實例

您可使用賽靈思I/O函數訪問OCM，以便從所選的存儲器地址讀取和寫入數據。這些函數包含在Xil_IO.h中，可支持在CPU地址空間內存儲和訪問8位、16位或32位字符型、短整型或整型數據。使用這些函數時，只需知道您希望訪問的地址以及想要在此存儲的值即可。如果是寫操作，方法如下，

使用該技術時要確保兩個地址指向片上存儲器中的相同位置，尤其是當不同人編寫不同內核程序時更應如此，為此更好的方法是使用共同的頭文件。該文件將包含針對特定傳輸的相關操作地址的宏定義，例如：

另一種備選方法是讓兩個程序都使用指示器來訪問存儲單元。您可以通過使用宏命令定義指向恒定地址的指示器(一般用C語言)來實現這一點：

此外，您還可以對地址再次進行宏定義，以確保該地址為兩個應用程序的共用地址。這種方法無需使用賽靈思I/O庫，而是通過指示器實現簡單訪問。

處理器間的中斷

Zynq SoC中的每個內核都有16個軟件生成的中斷。如上文所提到的，每個內核都能實現自身與另一個內核或兩個內核的中斷。使用軟件中斷與使用硬件中斷基本相似，區(qū)別只在于您如何觸發(fā)它們。若使用軟件中斷，正在接收的應用就無需針對更新數據而對目標存儲單元進行輪詢。

就像使用任何硬件中斷時一樣，您需要對兩個內核中的通用中斷控制器進行配置。敬請參閱《賽靈思中國通訊》第87期的“如何在Zynq SoC上使用中斷”以了解更多相關信息。

然后，您可以使用xscugic.h中提供的XScuGic_SoftwareIntr函數在正在更新的內核中觸發(fā)軟件中斷。該命令將向該指定內核發(fā)出一個軟件中斷，再由該內核進行適當操作：

您必須為內核0和內核1應用對DDR存儲器進行正確分段，否則會存在其中一個應用破壞另一個應用的風險。

創(chuàng)建應用

將文件添加到庫之后，下個階段就是生成AMP解決方案的三個重要部分：AMP第一階段引導載入程序、內核0應用和內核1應用。您必須為每個部分生成一個不同的板支持包(BSP)。

您需要做的第一件事是用SDK創(chuàng)建一個新的FSBL。選擇“新建應用項目”，創(chuàng)建一個支持AMP的FSBL項目。這與創(chuàng)建一般FSBL的過程沒有什么不同。不過，這次您需要選擇“Zynq FSBL for AMP”模板，如圖3所示。

完成AMP FSBL創(chuàng)建之后，接下來需要為第一個內核創(chuàng)建應用。一定要選擇內核0和您的首選操作系統(tǒng)，并允許其創(chuàng)建自己的BSP，如圖4所示。

創(chuàng)建應用之后，您需要正確定義應用在DDR存儲器中的位置(應用將從該位置執(zhí)行)。為此，您需要編輯圖5中的鏈接器腳本，以顯示DDR的基地址和大小。這一點很重要，因為如果沒有為內核0和內核1應用對DDR存儲器進行正確分段，就會存在其中一個應用破壞另一個應用的風險。

完成分段之后，您現在可以編寫希望在內核0上執(zhí)行的應用，因為該內核是AMP系統(tǒng)中的主管。內核0必須啟動內核1應用的執(zhí)行。您需要將圖6中的代碼段包含在應用中。這段代碼禁用片上存儲器上的高速緩存，并將內核1程序的起始地址寫到一個內核1將會訪問的地址。一旦內核0執(zhí)行Set Event(SEV)命令，內核1便開始執(zhí)行其程序。

圖3 – 為AMP設計選擇第一階段引導載入程序

圖4 – 為內核0創(chuàng)建應用和BSP

下一步是為內核1創(chuàng)建BSP。一定要使用修改后的獨立OS(standalone_amp，如圖7所示)，這一點很重要，因為它能防止PS偵測控制單元的重新初始化。就這一點而言，在創(chuàng)建項目時不要像對待內核0那樣允許其自動生成BSP。必須確保在CPU選項中選擇內核1。

既然您已經為內核1創(chuàng)建了BSP，那么接下來首先需要修改BSP的設置，才能繼續(xù)創(chuàng)建您想要在內核1上運行的應用。這非常簡單，只需要向BSP驅動器部分的配置中添加一個額外的編譯器標志：–DUSE_AMP=1。

這一步完成后，您就可以任意為內核1創(chuàng)建應用了。務必選擇內核1作為處理器，并使用您剛剛創(chuàng)建的BSP。創(chuàng)建新應用之后，您需要再次在DDR存儲器中定義正確的存儲單元，而內核1程序將從此處執(zhí)行。您可按照之前的方法通過編輯內核1應用的鏈接器腳本來完成設定。與第一個內核一樣，在該應用中同樣要禁用片上存儲器上的高速緩存——該高速緩存可用來在這兩個處理器之間進行通信。

將所有組件完美整合

在創(chuàng)建應用和構建項目之后，您現在應已擁有以下組件：

• AMP FSBL ELF;

• 內核0 ELF;

• 內核1 ELF;

• BIT文件，用來為預期能夠實現AMP的Zynq器件定義配置。

圖5 – 內核0的DDR位置和大小

使用所提供的工具在Zynq SoC上創(chuàng)建非對稱多處理應用可以變得非常簡單。

圖6 – 通過編碼禁用片上存儲器上的高速緩存

圖7 – 為內核1創(chuàng)建BSP

為了使Zynq SoC從所選的配置存儲器中引導，您需要一個.bin文件。要創(chuàng)建該文件，您還需要一個BIF文件。BIF文件規(guī)定了應使用哪些文件創(chuàng)建BIN文件以及它們的順序。不要使用SDK中的“創(chuàng)建Zynq”引導映像，而應使用ISE®設計套件命令提示符和BAT文件(BAT文件是XAPP1079的一部分，位于下載目錄designworkbootgen)。該目錄包含一個BIF文件和一個cpu1_bootvec.bin，后者作為修改后的FSBL的一部分，用于阻止其查找和加載更多應用。

要生成BIN文件，您需要將生成的三個ELF文件復制到bootgen目錄，并對BIF文件進行編輯以確保其中的ELF名稱正確無誤(如圖8所示)。

現在您可打開一個ISE命令提示符，并導航至bootgen目錄。在這里運行createboot.bat。該步驟將創(chuàng)建boot.bin文件(如圖9所示)。

圖8 – 修改BIF文件

圖9 – 創(chuàng)建將在Zynq SoC上運行的boot.bin文件

然后，您可將該文件下載到Zynq SoC上的非易失性存儲器中。該器件的引導將使兩個內核啟動并執(zhí)行其各自的程序。

使用所提供的工具在Zynq SoC上創(chuàng)建非對稱多處理應用可以變得非常簡單。使用片上存儲器或DDR分區(qū)可以很容易地實現兩個內核之間的通信。