基于xilkernel的嵌入式應用程序設計方法

　　集成在virtex-iipro器件中的powerpc405，是一個32位risc硬核，它支持coreconnect總線的標準外設集合。使用coreconnect總線，可以方便地控制多個外設。在edk集成開發(fā)環(huán)境下，對于多個外設，每個外設都有對應的任務。powerpc405默認的嵌入式內核是standalone，在其上開發(fā)的多個任務是宏觀串行執(zhí)行的，只有利用參數(shù)傳遞或全局參變量來建立各任務間的關系。在很多情況下，系統(tǒng)需要多個任務系統(tǒng)宏觀并行執(zhí)行，使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內核改變?yōu)閑dk自帶的xilkernel內核，適當?shù)馗淖冘浖脚_設置的內容，就可以實現(xiàn)多個任務的并行執(zhí)行。xilkernel也支持多任務間通訊和中斷。根據(jù)各種通訊方式，也可以建立各個任務之間的聯(lián)系；通過中斷，處理器可以及時響應外設產生的事件。

　　硬件系統(tǒng)結構

　　如圖1所示，powerpc405使用fpga外部的存儲單元，使用coreconnect總線和外圍接口。coreconnect總線的標準外設集合可以重復使用，使系統(tǒng)整合變的更加容易。

圖1powerpc405硬件系統(tǒng)結構

　　coreconnect總線結構

　　plb總線接口：用于powerpc405內核與高性能設備的連接。plb接口包括isplb接口和dsplb接口兩種。其中，isplb接口用于外設與powerpc405指令緩沖的連接，dsplb接口用于外設與powerpc405數(shù)據(jù)緩沖的連接。
opb總線接口：片上外設總線，內核通過opb來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。它不是直接連接到處理器內核。處理器內核借助于“plbtoopb”橋，通過opb訪問從外設；opb總線控制器的外設可以借助“opbtoplb”橋，通過plb訪問存儲器。

　　硬件平臺構件

　　在edk集成開發(fā)環(huán)境中，由用戶向導生成mhs文件，用戶也可以根據(jù)mhs文件的語法添加自定義的外設。mhs文件用于描述硬件體系結構，其主要包括平臺的處理器類型、總線結構、外圍接口、中斷處理和地址空間。
edk工具platgen使用mhs文件作為輸入來創(chuàng)建硬件平臺，它創(chuàng)建不同形式的網(wǎng)表文件(ngc，edif)，下游工具的支持文件和頂級hdl包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺。

　　軟件系統(tǒng)結構

　　在edk集成開發(fā)環(huán)境中，mss文件用于描述軟件體系結構，其主要定義了平臺的內核、軟件庫、驅動程序和文件系統(tǒng)的參數(shù)。

　　edk工具libgen使用mss文件作為輸入，定制驅動、庫、文件系統(tǒng)和中斷處理程序。

　　xilkernel模塊結構

　　xilkernel模塊結構如圖2所示，xilkernel提供與內核的posix接口。但并不是每一個通過posix定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個精細選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持posix線程、posix無名信號量、xsi消息隊列、posix互斥鎖、中斷處理等。

　　xilkernel的軟件平臺配置

　　xilkernel已經(jīng)被設計為可以和edk軟件和硬件流緊密共同工作，完全被整合在軟件平臺配置和自動的庫、板級支持包產生機制之中。在軟件配置平臺，可以對xilkernel支持的功能進行配置，下面介紹一些主要的配置：

a、指定系統(tǒng)定時器的頻率值和時間片間隔。
b、指定系統(tǒng)可以運行的線程數(shù)量、任務調度方式(這里我們設置為優(yōu)先級搶占方式，以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理)和系統(tǒng)中斷控制器。
c、配置系統(tǒng)的通訊方式，可以通過這些開關來確定系統(tǒng)需要的通訊方式，并可以確定各個通訊方式的參數(shù)。包括消息隊列、信號量等。
d、指定系統(tǒng)的靜態(tài)任務，也就是完全進入內核后執(zhí)行的第一個任務，可以在這個任務里產生和設置系統(tǒng)需要的其它任務。
e、一些增強系統(tǒng)功能的設置等等。

　　主要任務間的通訊方式和中斷

　　必需的配置

　　首先要生成連接腳本，是通過硬件需要生成的，此腳本反映了xilkernel需要的不同的段存儲器。比如.vectors段被分配于一個有64kb地址邊界的存儲器的開始，而.boot段在0xfffffffc處。其余的代碼和數(shù)據(jù)存儲器可以放在任何地方。

圖2xilkernel模塊結構

　　其次，xilkernel是作為一個庫來架構的。這意味著應用程序源文件僅需要連接xilkernel，就能夠訪問xilkernel的功能。這些需要設置編譯器的庫連接選項為xilkernel，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應用程序提供main()入口，然后通過調用xilkernel_main()作為內核的入口點。產生庫、bsp并編譯程序后，xilkernel將自動作為系統(tǒng)啟動、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個簡單的內核入口代碼：

#include"xmk.h"
/*定義和聲明*/
intmain()
{
/*用戶完成預處理，不允許調用內核接口*/
xilkernel_main();/*開始內核*/
/*程序不會執(zhí)行到這里*/
}
/*系統(tǒng)的靜態(tài)任務*/
void*first_thread()
{
/*產生一些線程來處理用戶需要*/
}

　　線程的創(chuàng)建

　　線程的創(chuàng)建及屬性的簡單設置可以由下面幾個函數(shù)實現(xiàn)：
intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr)

　　intpthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t*attr,structsched_param*schedpar)
intpthread_create(pthread_tthread,pthread_attr_t*attr,void*(*start_func)(void*),void*param)

　　pthread_attr_init()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來設置線程的優(yōu)先級，attr是線程的屬性，schedpar是包含有線程優(yōu)先級的數(shù)據(jù)結構。pthread_create()創(chuàng)建一個線程，thread表明線程id，attr指出線程屬性，start_func函數(shù)指針是線程創(chuàng)建成功后開始執(zhí)行的函數(shù)，param是這個函數(shù)的一個唯一的參數(shù)。

　　在靜態(tài)任務中調用這些函數(shù)來產生一些有優(yōu)先級的任務。如下例：

staticpthread_ttid0,tid1;
staticpthread_attr_tattr;
staticstructsched_paramprio;
void*first_thread(){......
pthread_attr_init(&attr);
prio.sched_priority=4;
pthread_attr_setschedparam(&attr,&prio);
ret=pthread_create(&tid0,&attr,(void*)important_task,null);
pthread_attr_init(&attr);
prio.sched_priority=5;
pthread_attr_setschedparam(&attr,&prio);
ret=pthread_create(&tid1,&attr,(void*)second_important_task,null);
......
}

　　這樣，系統(tǒng)會發(fā)起important_task和second_important_task兩個任務，important_task的優(yōu)先級比second_important_task高，會優(yōu)先運行。除非important_task任務阻塞或退出，second_important_task才可能得到運行。

　　posix無名信號量

　　信號量提供高速的任務間同步和互斥機制。對于互斥，信號量可以上鎖共享資源，使得該共享資源在同一時刻只有一個線程所擁有。關于此信號量的一些常用函數(shù)如下：

　　intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);
intsem_wait(sem_t*sem);
intsem_post(sem_t*sem);

　　sem_init()創(chuàng)建一個信號量，并初始化信號量的值為value；sem_wait()調用將阻塞進程，直到信號量的值大于0，此函數(shù)返回時信號量的值減1；sem_post()是將信號量的值加1，并發(fā)出信號喚醒等待的進程。

　　信號量用于同步，一般要初始化為0，等待要同步的任務阻塞在sem_wait()調用上。任務調用sem_post來解鎖該信號量，來達到同步。下面一個例子是用信號量實現(xiàn)同步操作的：

staticsem_tprotect;
void*first_thread(){......
sem_init(&protect,1,0);
......
}
void*thread_func1(){......
while(1){
sem_wait(&protect);
......
}
}
void*thread_func2(){......
while(1){......
if(某種條件成立)sem_post(&protect);
}
}

　　當信號量用于互斥時，一般要初始化為一個大于0的值，就可以讓資源可用。如果信號量的初始值為1，第一個上鎖該信號量的線程會立即執(zhí)行，后繼的線程將會阻塞，直到下次信號量解鎖才會執(zhí)行。

　　xsi消息隊列

　　消息隊列允許長度可變、數(shù)目可變的消息排隊。任何任務或中斷服務程序可以發(fā)送消息到消息隊列。任何任務可從消息隊列接收消息。關于此消息隊列的一些常用函數(shù)如下：

　　intmsgget(key_tkey,intmsgflg)
intmsgsnd(intmsqid,constvoid*msgp,size_tmsgsz,intmsgflg)
ssize_tmsgrcv(intmsqid,void*msgp,size_tnbytes,longmsgtyp,intmsgflg)

　　msgget()來創(chuàng)建一個消息隊列，key是消息隊列的標識符，msgflag目前有兩個選項，ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函數(shù)往隊列發(fā)送一條消息，msgp是消息緩沖指向的指針，msgsz表示消息的字節(jié)數(shù)。msgrcv()函數(shù)作用是從消息隊列中讀取消息，把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區(qū)，nbytes表示緩沖支持的消息字節(jié)數(shù)。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊列描述符，用來標識相關的消息隊列。下面是消息隊列單向通信的簡單代碼：

struct_msg{
shorttype;
charfirst;
charlast;
};
staticstruct_msgmsg_p;
staticstruct_msgmsg_c;
staticintmsgid;
void*first_thread(){......
msgid=msgget(5,ipc_creat|ipc_excl);
......
}
void*consumer()
{
while(1){
msgrcv(msgid,&msg_c,4,0,0);
......
}
}
void*producer()
{
while(1){......
msgsnd(msgid,&msg_p,4,0);
}
}

　　在例子開始，建立消息的數(shù)據(jù)結構。在producer()中操作消息的各項數(shù)據(jù)，通過msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中，如果消息隊列里沒有消息，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊列非空時，msgsnd()才把消息復制到msg_p指向的數(shù)據(jù)結構中，此時此線程開始執(zhí)行，并可以對接收到的消息進行處理。

　　中斷

　　xilkernel已經(jīng)被設計為可以和多個中斷設備共同工作，用戶用opb_intcip核作為中斷控制器來處理硬件中斷。xilkernel僅支持一個中斷控制器來連接ppc405的外部中斷引腳，而且不支持中斷控制器連接臨界的中斷。對于中斷程序設計，xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。

　　在xilkernel_main()中已經(jīng)完成了初始化powerpc405的中斷表，并能使了中斷控制器連接在處理器上的非臨界的中斷。下面是摘抄xilkernel_main()內部執(zhí)行相關代碼：

　　xexc_init();/*初始化powerpc405的中斷表*/
xexc_menableexceptions(xexc_non_critical);/*能使非臨界中斷*/

　　下面是開發(fā)應用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開始接收中斷；其次，把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上；再就是注冊此非臨界中斷；最后能使此中斷。下面是一個串口中斷接收的簡單代碼：

void*first_thread(){......
xintc_mmasterenable(xpar_myintc_baseaddr);
xintc_menableintr(xpar_myintc_baseaddr,xpar_myuart_interrupt_mask);
xintc_registerhandler(xpar_myintc_baseaddr,xpar_myuart_interrupt_intr,
(xinterrupthandler)uart_int_handler,(void*)xpar_myintc_baseaddr);
xuartlite_menableintr(xpar_myuart_baseaddr);
......
}
voiduart_int_handler(void*baseaddr_p){/*中斷處理程序*/while(!xuartlite_misreceiveempty(xpar_myuart_baseaddr)){
ch=xuartlite_recvbyte(xpar_myuart_baseaddr);
......
}
}

　　一個中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應該盡量短，如果中斷處理程序不能完全處理此事件，可以由信號量同步發(fā)起一個任務來處理本事件。

　　結語

　　xilinx公司的vritex-iipro實現(xiàn)了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設計平臺，其出眾的性能受到高端應用的青睞。在此平臺上利用xilkernel嵌入式操作系統(tǒng)，為嵌入式應用開發(fā)提供了極大的系統(tǒng)結構靈性。本文僅介紹了幾種常用的基于xilkernel的嵌入式應用程序設計方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時器等實現(xiàn)其它的功能。讀者也可以根據(jù)嵌入式開發(fā)的經(jīng)驗和xilkernel的強大功能，構建復雜的fpga嵌入式系統(tǒng)。