基于NiosII的SOPC多處理器系統(tǒng)設計方法

　　摘要 詳細地闡述基于NiosIl和FPGA的多處理器系統(tǒng)的實現(xiàn)機制，討論利用硬件互斥核實現(xiàn)多處理器資源共享的方法，并給出硬件設計的具體步驟以及軟件設計、調試方法和關鍵技術;利用Altera公司提供的QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE等開發(fā)工具，通過一個3處理器系統(tǒng)設計實例，驗證了設計方法的正確性，實現(xiàn)了3處理器對存儲器資源的共享。

　　關鍵詞 SOPC NiosII 多處理器系統(tǒng) 共享存儲器

　　兩個或多個微處理器一起工作來完成某個任務的系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。傳統(tǒng)基于單片機的多處理器系統(tǒng)結構復雜，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)的設計理念和方法。使用Altera公司的NiosII軟核處理器和SOPC Builder工具，可以快速地設計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)的復雜算法(稱為“對稱多處理器SMP”)的高端PC計算。對于大部分嵌入式系統(tǒng)，當SMP的開銷太大時，使用多個處理器執(zhí)行不同的任務，實現(xiàn)不同的功能正引起越來越多的關注。Altera公司的FPGA為開發(fā)非對稱的嵌入式多處理器系統(tǒng)提供了一個理想的平臺。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行修改和調整，從而很快完成不同配置系統(tǒng)的沒計、編譯和評估。

　　本文將對基于NiosII的OSPC多處理器系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、設計流程和方法進行詳細的討論。

　　1 NiosII多處理器系統(tǒng)硬件設計

　　QuartusII 5.O及以上版本支持多處理器系統(tǒng)的創(chuàng)建和調試。多個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處理器到系統(tǒng)中，因此建立多處理器系統(tǒng)的難點已不再是硬件的排列和連接，而在于多個處理器的軟件設計，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立，之間不進行信息交換。

　　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)的強大功能，但必須仔細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 共享存儲器

　　在多處理器系統(tǒng)中最普遍的共享資源是存儲器。共享存儲器用于存放任何數(shù)據(jù)，從指示處理器間通信狀態(tài)的簡單標志，到被多個處理器同時進行計算的復雜數(shù)據(jù)結構。

　　如果存儲器中包含不只一個處理器的程序代碼，那么每個處理器需要有不同的存儲地址。對于程序空間，處理器不能共享存儲器的同一區(qū)域。如果共享數(shù)據(jù)存儲器，則存儲器的數(shù)據(jù)需要從端口與共享存儲器的處理器的數(shù)據(jù)主端口連接。多處理器之問共享數(shù)據(jù)存儲器比共享指令存儲器困難，原因是數(shù)據(jù)存儲器可讀/寫。如果某一處理器正在對共享存儲器的特定區(qū)域進行寫操作，而同時另一個處理器正在對同一區(qū)域進行讀或寫操作，則很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，至少使應用程序出錯，甚至使系統(tǒng)崩潰。

　　共享存儲器的處理器需要一個機制來通知其他處理器何時正在使用共享資源，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行保護處理。這個硬件互斥核不是一個NiosII處理器內部的部件，而是一個稱為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，就在某個操作中獲取它。當處理器結束與Mutex相關的共享資源使用時，釋放該Mutex;此時，另一個處理器可能獲取了Mutex，使用共享資源?；コ夂嗽谖锢砩喜⒉荒芊乐官Y源同時被多個處理器訪問。運行在處理器上的軟件必須被設計為在訪問相關共享資源之前總是獲取Mutex的。

　　在大部分情況下，多個處理器之間應該使用互斥核來保護共享資源。然而，也有一些不需要互斥核的，例如對于單方向或循環(huán)的消息緩沖隊列，此時只有一個處理器往存儲器的某個特殊位置寫數(shù)據(jù)。

　　一般地，NiosII不支持多個處理器之間非存儲器外設的共享，NiosII硬件抽象層(HAL)庫也不支持。NiosIIHAL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，不允許多于一個的從外設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，只要外設被不同的處理器控制，那么不同的從外設就可以具有相同的基地址。

　　3 NiosII多處理器系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 程序存儲器

　　在多處理器系統(tǒng)中，多個處理器可能使用同一個程序存儲器，每個處理器的程序必須存放在不同的位置。NiosII和SOPC Builder提供一個簡單的存儲器分區(qū)模式，允許多個處理器在同一存儲器的不同區(qū)域運行各自的軟件。分區(qū)模式使用處理器的異常地址，可以在SOPC Builder中進行設置。NiosII IDE負責根據(jù)異常地址計算出不同代碼段鏈接的位置。如果2個不同的處理器被鏈接到同一存儲器，那么每個處理器的異常地址用來決定處理器軟件存放的基地址，其末地址由下一個異常地址或者存儲器的末地址決定。對于每個處理器，軟件有5個主要的代碼段需要被鏈接到存儲器中的固定地址。分別是：

　　·text 實際的可執(zhí)行代碼;

　　·rodata代碼段執(zhí)行時所使用的常量數(shù)據(jù);

　　·rwdata讀/寫變量和指針;

　　·heap 動態(tài)分配的存儲器;

　　·stack 函數(shù)調用參數(shù)和其他臨時數(shù)據(jù)。

　　在多處理器系統(tǒng)中，對于每個處理器，都希望使用連續(xù)的存儲區(qū)域存儲其所有的代碼段。在這種情況下，異常地址用來定義2個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位總是設置為Ox20，因為偏移量OxO是NiosII的復位地址，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。Ox20字節(jié)的復位代碼初始化指令緩存行，然后跳轉到系統(tǒng)的起始代碼處。

　　3.2 啟動地址

　　在多處理器系統(tǒng)中，每個處理器必須從自己的存儲區(qū)域啟動。為了從同一個非易失性存儲器中的不同區(qū)域啟動多處理器，簡單地設置每個處理器的復位地址為所期望的啟動地址。在啟動地址之間要留出足夠的空間存放啟動代碼。

　　NiosII Flash Programmet能夠將多個處理器的啟動代碼編程到一個Flash器件中。Flash Programmer根據(jù)每個處理器的復位地址計算Flash內的編程地址。

　　3.3 Niosll IDE中多處理器系統(tǒng)的運行和調試

　　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進行在片調試的能力。在多處理器系統(tǒng)上，多個debug(調試)可同時運行;每個處理器可以單獨暫停和恢復，也可以單獨設置每個處理器的斷點。某個處理器停在一個斷點處，并不影響其他處理器的操作。每個debug通道也可以單獨打開和停止。在NiosII IDE中，利用一項稱為“處理器集合(mul-tlprocessor collections)”的功能，一個操作就可以打開多個處理器的debug通道。multiprocessor collections是被連接在一個配置名字下的每個處理器的debug配置組。使用multiprocessor collections的好處是無論何時打開collections，NiosII IDE都可以打開每個debug通道，而不用手動打開。也町以用一個操作停止multiprocessor col-lections，但是同時暫停和恢復multiprocessor collections目前不支持。

　　multiprocessor collections的打開和停止不是同時的，這意味著在collections中的處理器不能在同一個時鐘周期開始執(zhí)行代碼。事實上，不同處理器的啟動可能有幾秒的延遲。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間內啟動多個處理器，則需要構建單獨的硬件和軟件機制。

　　4 NiosII多處理器系統(tǒng)設計實例

　　下面將利用SOPC Builder建立一個基于標準模板的3處理器、共享片上存儲器的NiosII系統(tǒng)，之后在NiosIIIDE中為每個處理器建立一個軟件工程。系統(tǒng)功能是：3個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)

　　在標準硬件實例standard.qp的設計基礎上，增加2個處理器、2個定時器和1個硬件互斥核組件;另外增加1個消息緩存區(qū)message_buffer_ram(片上RAM)，用作3個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連接到每個處理器的指令和數(shù)據(jù)主端口。允許3個處理器訪問SDRAM。

　　②將ext_ram_bus連接到每個處理器的指令和數(shù)據(jù)主端口。允許3個處理器訪問外部RAM和Flash。

　?、蹖essage_buffer_ram連接到每個處理器數(shù)據(jù)主端口。允許3個處理器訪問該存儲器。

　　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，為每個外設分配一個唯一的基地址。

　　完成以上操作后，系統(tǒng)配置如圖1所示。3個處理器的數(shù)據(jù)主端口與共享存儲器的同一從端口連接。因為cpul、cpu2和cpu3在物理上能夠同時將數(shù)據(jù)寫到共享存儲器中，軟件必須仔細設計以保證存儲在共享存儲器上數(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CPU設置復位和異常地址，創(chuàng)建和編譯系統(tǒng)，并下載FPGA的設計文件.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個處理器系統(tǒng)分別創(chuàng)建6個軟件工程，為每個處理器創(chuàng)建一個應用工程和一個系統(tǒng)庫工程。之后對軟件工程進行編譯、運行和調試。

　　軟件使用硬件Mutex共享一個消息緩存區(qū)。3個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。每個處理器運行同樣的C文件，但處理器的操作稍有不同。這是通過使用NiosII的cpuid實現(xiàn)的。在NiosII處理器系統(tǒng)中，某個處理器通過寫其cpuid控制寄存器的值到Mutex寄存器的OwrqER域來對Mt-tex加鎖。cpuid寄存器保持一個靜態(tài)值，在多處理器系統(tǒng)中，該值唯一地識別一個處理器，且在系統(tǒng)創(chuàng)建時確定。軟件執(zhí)行某個處理器的函數(shù)時，首先檢查處理器的cpuid，如果cpuid正確，則執(zhí)行相應函數(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。因為硬件設計時，只有cpul與jtag_uart相連，而cpul的id的值為3(在系統(tǒng)創(chuàng)建時確定)，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控制寄存器的內容。其信息輸出的程序如下：

　　在System Library屬性中，第1個工程選擇jtag_uart為stdin、stderr和stdout，選擇cpul_timer為the Systemclock timer;第2個工程選擇cpu2_timer為System clocktimer，驗證stdin、stderr和stdout為null，因為這個處理器不與jtag_uart連接;第3個工程選擇cpu3_timer為Systemclock timer，其余同工程2。驗證這3個工程的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、運行后，在終端上顯示這3個處理器產(chǎn)生的消息，如圖2所示。

　　結語

　　結果表明，3處理器系統(tǒng)通過硬件互斥核，實現(xiàn)了存儲器的共享。在此實例的基礎上，按同樣的方法添加處理器及相應的硬件組件，并開發(fā)相關應用軟件，即可實現(xiàn)滿足不同需求的多處理器系統(tǒng)。