雙MicroBlaze軟核處理器的SOPC系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一款基于雙MicroBlaze軟核處理器、面向嵌入式領(lǐng)域的SOPC系統(tǒng)，在信息處理繁忙的情況下，實現(xiàn)兩軟核處理器之間的同步、通信和中斷功能，提高信息吞吐率和系統(tǒng)靈活性，降低設(shè)備尺寸。兩處理器之間通過Mutex模塊實現(xiàn)同步功能，通過Mailbox模塊實現(xiàn)通信和中斷功能，通過共享BRAM模塊實現(xiàn)大塊通信功能，并進行了有效的功能驗證。該SOPC系統(tǒng)在XUPV5-LX110T開發(fā)板上得到驗證。測試結(jié)果表明，兩軟核處理器之間有效地實現(xiàn)了同步，通信和中斷功能，達到了預期的效果，驗證了方案的有效性。
關(guān)鍵詞：MicroBlaze；雙核；SOPC；Mutex；Mailbox；BRAM

引言
    隨著時代的發(fā)展，單核片上可編程系統(tǒng)SOPC(Systern On a Programmable Chip)解決復雜問題的能力與處理速度已很難滿足用戶的需求，面向多處理器SOPC系統(tǒng)的設(shè)計成為片上系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。具有高密度、大容量邏輯的FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現(xiàn)使得高性能片上多處理器的設(shè)計成為現(xiàn)實。目前，片上多核系統(tǒng)的設(shè)計已有一定發(fā)展，但在處理器間通信和中斷方面仍需進一步的研究。本文在處理器間通信和中斷控制方面進行了深入的研究。
    MicroBlaze是一個被優(yōu)化過的可以在Xilinx公司FPGA中運行的軟核處理器，可以和其他外設(shè)IP核一起完成可編程系統(tǒng)芯片的設(shè)計。它具有運行速度快、占用資源少、可配置性強等優(yōu)點，廣泛應用于通信、高端消費市場等領(lǐng)域。MicroBlaze處理器采用RISC(ReducedInstruction Set Computer)指令集結(jié)構(gòu)和哈佛存儲結(jié)構(gòu)，指令、數(shù)據(jù)總線位寬均為32位。本文MicroBlaze處理器采用面積優(yōu)化，流水線分為3級，即取指、譯碼和執(zhí)行，減少了硬件開銷。

1 系統(tǒng)設(shè)計
1．1 雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可知，整個SOPC系統(tǒng)可以分為兩個處理器子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩個PLB(Processor Local Bus)v46總線作為系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，所有的模塊都是直接或間接地連接到這兩個總線上。兩個總線上均掛有用于處理器間通信和同步的核，即Mailbox和Mutex，因此兩個處理器并不是完全獨立的。表1列出了SOPC系統(tǒng)包含的主要模塊。

    表1中的BRAM有兩種用途：一是作為單個處理器的私有存儲器用來存儲指令和數(shù)據(jù)，它通過存儲器局部總線LMB與處理器相連；二是作為兩個處理器之間的共享存儲器(Shared Memory)用作通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。它所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比Mailbox大很多，特別是在傳輸信息量大于千字節(jié)時，共享存儲器是最常用的通信模塊。
1．2 硬件設(shè)計
1．2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    圖1所示的SOPC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)不僅和處理器的數(shù)目有關(guān)，還和系統(tǒng)中模塊的配置及功能有關(guān)，外部存儲器和外圍設(shè)備的不同配置都會影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。具體如下：
    ①SOPC系統(tǒng)通過各自獨立的PLBv46總線隔離兩處理器子系統(tǒng)，可以確保兩個處理器系統(tǒng)在執(zhí)行各自的處理器事務(wù)時不會相互干擾。
    ②共享模塊(例如MPMC)，采用多端口結(jié)構(gòu)，這些多端口模塊使多個處理器在訪問共享模塊時可以并行進行。
    ③兩個獨立的MicroBlaze處理器Mb_0和Mb_1，通過共享部件連接在一起，這些共享部件使得兩個MicroBlaze處理器之間以各種方式通信。
    ④此SOPC系統(tǒng)中有兩個MicroBlaze處理器軟核，其中任何一個MicroBlaze都可以靈活地被其他類型的處理器所代替，比如PowerPC，因此處理器的選擇是非常靈活的。
    ⑤兩個處理器可以共享互斥訪問設(shè)備，比如串口UART、串行外設(shè)接口SPI(Serial Periphieral Interface)等，這種情況需要在沒有直接連接此外設(shè)的總線和直接連接此外設(shè)的總線之間提供一個系統(tǒng)總線橋。
    ⑥關(guān)鍵的外圍設(shè)備是外部存儲控制器MPMC，它最多提供8個端口，可以通過XCL(Xilinx Cache Link)連接處理器局部存儲器(BRAM)，通過PLBv46總線連接到系統(tǒng)中，因此，可以將1～4個處理器同時連接到MPMC控制器上。
    ⑦兩個處理器之間的Mailbox和Mutex有簡單通信的功能，主要體現(xiàn)在處理器之間的通信和同步上。
1．2．2 存儲器映像
    當程序沒有被加載或者運行的時候，它以文件的形式存放在硬盤上。當它被下載到MPMC內(nèi)存中的時候，系統(tǒng)會自動從MPMC內(nèi)存中劃分出一段區(qū)域，用來將這個磁盤上的文件映射到內(nèi)存相應的位置上。此時這塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就是磁盤文件的一個拷貝。存儲器映像就是指和被加載的磁盤文件相對應的一塊內(nèi)存區(qū)域。由于MPMC存儲器和外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，兩者的地址范圍不可能重疊，因此直接或者間接連接到處理器上的外圍設(shè)備地址的分配決定了外部存儲器的地址空間。
    一般而言，當多個處理器共用一條總線時，存儲器、外圍設(shè)備和共享元素是密不可分的，在本文設(shè)計的處理器系統(tǒng)中，每一個處理器都有自己獨立的系統(tǒng)總線，因此，所有的存儲器和外圍設(shè)備與共享元素都是分開的。也就是說，不同總線上的相同外圍設(shè)備可以有相同的地址范圍。在每一個處理器子系統(tǒng)中，為了能夠運行可執(zhí)行文件，對存儲器映像有一些要求。每個處理器都必須將自己的可執(zhí)行文件加載到各自私有的MPMC地址空間中，可執(zhí)行文件加載地址不能重疊。在私有存儲器里必須有各自的復位和中斷存儲器映像，這種私有存儲器可以通過本地存儲器接口(XCL)或者PLBv46總線接口連接起來。一旦私有存儲器與其他總線連接完畢，XPS的地址發(fā)生器會為每一個MieroBlaze處理器子系統(tǒng)(包括外圍設(shè)備和存儲器)生成適當?shù)刂贩秶拇鎯ζ饔诚瘛?br /> 1．2．3 處理器之間的通信與同步
    在Xilinx SOPC系統(tǒng)設(shè)計中，常用的處理器之間的通信模塊是Shared Memory和Mailbox，同步控制模塊是Mutex，調(diào)試模塊是MDM。
    Shared Memory共有兩個通信端口，它通過存儲器控制端口分別連接到系統(tǒng)的兩條PLBy46總線上。系統(tǒng)通過處理器對Slhared Memory模塊進行讀寫操作完成通信。Shared Memory可以由片上本地存儲器或者外部存儲器構(gòu)成。當信息傳輸量比較大時，Shared Memory的異步傳輸效率比較高，它支持零拷貝或者原狀信息隊列拷貝。
    利用Mailbox也可以進行處理器之間的通信。關(guān)于Mailbox，有如下一些特征描述：
    ①Mailbox可以認為是處理器之間的類似于TCP／IP的一個簡單的通信協(xié)議。
    ②處理器之間通過Mailbox通信有同步和異步之分：同步主要體現(xiàn)在處理器之間的通信上，接收者實時地讀取Mailbox中的數(shù)據(jù)；異步主要體現(xiàn)在處理器之間的中斷上，發(fā)送者通過Mailbox發(fā)送中斷信息給接收者，接收者收到中斷后反饋給發(fā)送者。
    ③每一個Mailbox核都有一個FIFO和一個雙端隊列，分別用來發(fā)送和接收信息，用戶可以根據(jù)自己的需要對它們的深度進行配置，主要通過分布式的RlAM或者BRAM來實現(xiàn)。
    ④Mailbox共有兩個端口分別連接到系統(tǒng)的兩個總線上來實現(xiàn)處理器之間的通信。
    ⑤Mailbox軟核比較適合傳輸信息量小于100字節(jié)的信息，發(fā)送者需要從本地或者外部存儲器拷貝整個信息到FIFO，然后，接收者同步地拷貝整個信息到自己的存儲器中，因此，Mailbox不適合傳輸信息量較大的信息，這些將會耗費掉處理器的一些時鐘周期。
    ⑥處理器間的中斷是指一個處理器去中斷另一個處理器的行為，通過Mailbox的異步通信來實現(xiàn)，處理器發(fā)送中斷就是往Mailbox里寫入一個信息，然后Mailbox通過中斷控制器對接收者產(chǎn)生一個中斷，接收者收到中斷以后會反饋給發(fā)送者，當Mailbox中沒有新的信息時，中斷為無效狀態(tài)。
    本文在SOPC系統(tǒng)設(shè)計中，用到的同步控制模塊是Mutex。此模塊主要有以下特點：
    ①存儲器映像以后，Mutex寄存器的數(shù)量可配置這些寄存器中有分別存儲數(shù)據(jù)和處理器ID的區(qū)域，Mutex寄存器中的數(shù)據(jù)和ID分別通過Mutex進行測試和設(shè)置。
    ②復位時，Mutex的值變?yōu)?，它表示Mutex處于開鎖狀態(tài)(UNLOCK)，并且其中的處理器ID號沒有賦值，當Mutex處于鎖定狀態(tài)(LOCK)時，其中的值保持不變。
    ③處理器通過軟件賦值的方式將各自的處理器ID號寫入到相應的Mutex寄存器中，從而獲得Mutex的使用權(quán)，當兩個處理器同步訪問Mutex寄存器時，每個處理器都會讀取Mutex寄存器中的值，然后和自己的ID號進行比較，比較匹配的處理器才可訪問Mutex寄存器，修改其中的數(shù)據(jù)。
    MicroBlaze核通過處理器調(diào)試口與MDM(Microprocessor Debug Module)調(diào)試模塊相連。調(diào)試模塊MDM可以調(diào)試系統(tǒng)中的每一個處理器。  MDM的特點如下：
    ①MDM的調(diào)試端口數(shù)目是可配置的，最多可以達到8個。
    ②MDM提供一個JTAG UART接口通向系統(tǒng)中的某個處理器，這個UART接口是通過PLBv46總線接口連接到處理器上的。
    ③MDM不會自動地調(diào)試每個處理器，用戶必須通過輸入調(diào)試命令來進行選擇性的調(diào)試。
1．3 軟件設(shè)計
1．3．1 存儲器映像
    為了保證每個處理器在執(zhí)行軟件部分時不發(fā)生沖突，必須對其存儲器進行存儲器映像。圖2是存儲器映像圖。

    從圖2中可以看出，用戶可以靈活地為兩個ELF文件分配適當大小的存儲器空間作為ELF文件的映射地址范圍。由于boot(引導)存儲器不可以共享，所以ELF文件的boot部分(．vectors*)被映射到私有存儲器中，它可以實現(xiàn)MicroBlaze處理器隨時調(diào)用，也可以引導ELF文件加載到DDR中。Heap和stack的范圍表示ELF文件在DDR中映像的存儲器大小。boot存儲器的大小表示boot部分所能引導的DDR的范圍。ELF文件的位置和輸出鏈接腳本的位置可以根據(jù)用戶的需求選擇。每個可執(zhí)行文件的存儲器映像地址都是通過編譯器來實現(xiàn)的，實現(xiàn)以后被傳到鏈接器，生成鏈接腳本。
1．3．2 通信與同步
    利用Shared Memory模塊通信是處理器之間最常用的通信方式。其通信接口函數(shù)如下：
    SHM_WRITEAREA()；／*向Shared Memory中寫數(shù)據(jù)*／
    SHM_READAREA()；／*從Shared Memory中讀數(shù)據(jù)*／
    利用Mailbox模塊可以實現(xiàn)處理器之間的信息傳遞和中斷。這在軟件設(shè)計中主要體現(xiàn)在以下代碼行中：
    XMbox_WriteBloeking()；／*向Mailbox中寫數(shù)據(jù)*／
    XMbox_ReadBlocking()；／*從Mailbox中讀數(shù)據(jù)*／
    在軟件應用設(shè)計中，兩個處理器之間的同步是通過Mutex Locks實現(xiàn)的，它的狀態(tài)有LOCK和UNLOCK之分。Mutex狀態(tài)的操作主要體現(xiàn)在以下命令行中：
    MLOCK()； ／*使用之前LOCK*／
    MUNLOCK()；／*使用之后UNLOCK*／
    軟件的調(diào)試(debug)需要手工地選擇處理器，兩個處理器不可以同時調(diào)試。在XMD Console中的調(diào)試命令主要有：
    debugconfig-reset_on_run disable／*下載時避免復位*／
    dow executable．elf ／*下載ELF文件*／run ／*運行*／

2 實驗結(jié)果
    本設(shè)計采用調(diào)試模塊分別對兩個處理器進行調(diào)試，通過超級終端輸出測試結(jié)果。
2．1 Mailbox的測試結(jié)果
    通過Mailbox可以實現(xiàn)處理器之間的中斷和通信。兩處理器首先通過交換字符串“helo BOY”的形式匯合(rendezvous)，以此來證明兩個處理器的連接情況。在這里，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包為2 044字節(jié)，共發(fā)送了3個數(shù)據(jù)包，都能成功地發(fā)送。經(jīng)驗證，每次發(fā)送的信息量最大為4 096字節(jié)，可以重復發(fā)送。
2．2 Mutex的測試結(jié)果
    通過Mutex可以實現(xiàn)兩處理器的同步。當兩個MicroBlaze處理器訪問共享資源時，可以用Mutex核修改臨界區(qū)域里共享資源的值。臨界區(qū)域里的值是隨著處理器的訪問而更新的。在沒有輸出時處理器會鎖定Mutex核，有輸出時解鎖Mutex核。同步使得控制臺的輸出結(jié)果正確可用，不會出現(xiàn)混亂的狀態(tài)。
2．3 Shared Memory的測試結(jié)果
    通過Shared Memory實現(xiàn)處理器之間的通信。處理器O首先向共享存儲器中寫入一個32位的數(shù)據(jù)并設(shè)置一個共享flag表明數(shù)據(jù)可用，等待處理器1讀取這個數(shù)據(jù)。然后，處理器1從共享存儲器中讀取處理器0寫入的數(shù)據(jù)并設(shè)置一個共享flag表明它已經(jīng)讀取了這個數(shù)據(jù)。雙處理器會重復這樣的過程，直到達到所設(shè)置的最大數(shù)目12。

結(jié)語
    本文以MieroBlaze軟核為基礎(chǔ)，利用XPS作平臺來設(shè)計雙MieroBlaze處理器片上系統(tǒng)，此片上系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)兩軟核處理器間的通信和中斷功能，該系統(tǒng)在Xilinx公司的XUPV5-LX110T開發(fā)板上得到實現(xiàn)，在超級終端中得到驗證。本設(shè)計的優(yōu)點是把處理器核之間的通信、中斷、同步放在了同一系統(tǒng)中進行研究，深入研究了處理器之間的中斷控制。下一步要做的工作是更多核的片上系統(tǒng)設(shè)計和操作系統(tǒng)移植。