當(dāng)前位置:首頁(yè) > 消費(fèi)電子 > 消費(fèi)電子
[導(dǎo)讀]為開發(fā)具有自主、新穎的嵌入式多處理器系統(tǒng),滿足功能、成本、體積和功耗的要求。對(duì)設(shè)計(jì)Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了研究,給出了一種層次結(jié)構(gòu)的共享資源Nios Ⅱ嵌入式軟核六處理器系統(tǒng)的實(shí)例。

通過對(duì)硬件互斥核,程序存儲(chǔ)器分區(qū),重疊地址空間,啟動(dòng)地址和異常地址的分析,提出了多處理器系統(tǒng)共享片上存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器和外設(shè)資源的解決方法,為Nios Ⅱ嵌入式多處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有效的方法和途徑。

0 引言

基于SoPC 技術(shù)開發(fā)的嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)具有可自主設(shè)計(jì),重構(gòu)性好,軟硬件裁剪容易,系統(tǒng)擴(kuò)充升級(jí)方便,能兼顧性能、體積、功耗、成本、可靠性等方面的要求。研發(fā)嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng),是提高嵌入式系統(tǒng)性價(jià)比和實(shí)用性一種有效途徑。

1 片上Nios Ⅱ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的核心是RISC 處理器,具有代表性的RISC軟核處理器是Nios Ⅱ處理器。軟核處理器是指用編程的方法生成的處理器。是一種將硬件邏輯、智能算法、硬件描述語(yǔ)言和編程有機(jī)的結(jié)合出來,設(shè)計(jì)處理器硬件電路的新技術(shù)。

片上Nios Ⅱ嵌入式多處理器系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)者可根據(jù)的實(shí)際的需要,自主選擇Nios Ⅱ處理器的類型和數(shù)目并進(jìn)行設(shè)置,對(duì)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置,最大限度提高片內(nèi)資源和系統(tǒng)資源的利用率。

1.1 Nios Ⅱ處理器

由Nios Ⅱ軟核處理器構(gòu)建的系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)軟硬件容易進(jìn)行裁剪,并可集成在一個(gè)FPGA 芯片上,構(gòu)建系統(tǒng)和實(shí)時(shí)評(píng)估非常迅速、方便,可大大地縮短設(shè)計(jì)周期,降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 多處理器系統(tǒng)類型

按共享資源分為非共享資源多處理器系統(tǒng)和共享資源多處理器系統(tǒng)兩種。非共享資源多個(gè)處理器系統(tǒng)中的多個(gè)Nios Ⅱ處理器完全是獨(dú)立的,不共享系統(tǒng)資源,處理器相互之間無干擾,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜。共享資源多處理器系統(tǒng)在共享資源的情況下,要確保多個(gè)Nios Ⅱ處理器安全、可靠的工作,它對(duì)提高每個(gè)處理器的性能、減小體積,降低成本和功耗有利,但系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

按處理器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為2 種,一種是非層次結(jié)構(gòu),處理器與系統(tǒng)組件的連接容易;另一種是層次結(jié)構(gòu),它可根據(jù)實(shí)際需要來確定Nios Ⅱ處理器的數(shù)目,優(yōu)化系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),有效利用FPGA芯片的資源。但存在平衡多處理器的負(fù)載和任務(wù)協(xié)調(diào)的問題。

2 共享資源多處理器系統(tǒng)

由多個(gè)Nios Ⅱ軟核處理器,一套片上外設(shè)接口,片上存儲(chǔ)器,片外存儲(chǔ)器接口等并集成在一個(gè)FPGA芯片上,構(gòu)成片上嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

2.1 共享系統(tǒng)資源

Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)可共享存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備系統(tǒng)資源。為了確保每個(gè)處理器共享資源,防止由于處理器之間的干擾,引起程序或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)中使用硬件互斥核組件對(duì)共享資源進(jìn)行保護(hù)處理,以協(xié)調(diào)各個(gè)處理器的正常工作,確保處理器之間不受干擾,從而提高多處理器系統(tǒng)的性能。

2.2 硬件互斥核

用硬件互斥核來協(xié)調(diào)各個(gè)處理器對(duì)共享資源的訪問。硬件互斥核是沒有內(nèi)部功能的,是一個(gè)簡(jiǎn)單的QSYS組件。它提供了一個(gè)協(xié)議來保證對(duì)共享資源的所有權(quán)的互斥,互斥協(xié)議是在任何時(shí)刻只有一個(gè)處理器允許訪問共享硬件資源,這樣才能有效保護(hù)多個(gè)處理器訪問使用硬件資源,防止數(shù)據(jù)的損壞或系統(tǒng)的崩潰?;コ夂薽utex提供一個(gè)原子的測(cè)試和設(shè)置操作,它允許處理器測(cè)試,如果互斥是可用的話,獲得互斥鎖處理器進(jìn)行單一的操作。當(dāng)處理器完成使用共享外設(shè)與互斥鎖,會(huì)釋放互斥鎖。此后,另一個(gè)處理器可以獲取該互斥鎖和共享外設(shè)的使用權(quán)。

需要注意,互斥核并沒有外設(shè)系統(tǒng)被多個(gè)處理器同時(shí)訪問的物理保護(hù),運(yùn)行在處理器上的軟件負(fù)責(zé)遵守互斥協(xié)議,軟件通過寫獲取互斥鎖后,處理器訪問其相關(guān)聯(lián)的共享外圍設(shè)備。多個(gè)處理器訪問一個(gè)mutex核,則每個(gè)處理器有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID(cpuid)。Altera提供了Nios Ⅱ處理器訪問硬件的子程序,這些函數(shù)是針對(duì)mutex 核的,直接對(duì)底層硬件進(jìn)行操作,每個(gè)處理器通過寫它的cpuid 控制寄存器的值到mutex 寄存器的owner 域?qū)utex 加鎖,而mutex 不能對(duì)HAL API 或ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行訪問。

3 片上嵌入式Nios Ⅱ軟核六處理器系統(tǒng)實(shí)例

片上嵌入式Nios Ⅱ六處理器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由六個(gè)Nios Ⅱ處理器、硬件互斥核、片上存儲(chǔ)器、JTAG UART、定時(shí)器、FLASH 控制器、FLASH 存儲(chǔ)器、System ID、Avalon Switch Fabric總線組成系統(tǒng)硬件的基本結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu),其中第六個(gè)Nios Ⅱ處理器、片上存儲(chǔ)器、JTAG UART、System ID、定時(shí)器、FLASH 控制和存儲(chǔ)器處在結(jié)構(gòu)的頂層。處在底層的5 個(gè)子系統(tǒng)共享存儲(chǔ)器資源,每個(gè)子系統(tǒng)包含一個(gè)NiosⅡ處理器、JTAG UART、定時(shí)器和硬件互斥核,用Ava-lon-MM、Pipeline Bridges將邏輯相鄰的子系統(tǒng)處理器和互斥核之間連接成一個(gè)環(huán),連接子系統(tǒng)與系統(tǒng)頂層組件之間的通信通道。

 

 

3.2 Nios Ⅱ處理器選擇和參數(shù)設(shè)置

Nios Ⅱ處理器有快速型、標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型三種類型[3],快速型配置性能最高,經(jīng)濟(jì)型配置占用片內(nèi)資源最少,標(biāo)準(zhǔn)型配置的性能和占用片上資源介于快速型和經(jīng)濟(jì)型之間。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要對(duì)系統(tǒng)性價(jià)比及功耗的要求,合理選擇和配置Nios Ⅱ處理器。

多處理器系統(tǒng)中對(duì)每一個(gè)處理器都要進(jìn)行正確的設(shè)置,否則即使創(chuàng)建的硬件系統(tǒng)已通過編譯并生成,也會(huì)造成多處理器系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的問題。如果多個(gè)處理器使用片上存儲(chǔ)器為共享程序存儲(chǔ)器,則必須正確設(shè)計(jì)異常地址。如果使用CFI FLASH存儲(chǔ)器區(qū)域作為多個(gè)處理器的引導(dǎo)區(qū),則必須要正確設(shè)計(jì)復(fù)位地址。使用不同類型的存儲(chǔ)器要正確的進(jìn)行設(shè)置。

3.3 共享程序存儲(chǔ)器

為了降低成本、功耗,簡(jiǎn)化多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實(shí)例中利用FPGA的芯片資源共享程序存儲(chǔ)器,六個(gè)Nios Ⅱ處理器的運(yùn)行軟件共同使用片上存儲(chǔ)器,每個(gè)處理器的軟件位于片上存儲(chǔ)器所屬特有的存儲(chǔ)器區(qū)域。如果六個(gè)處理器的軟件在片上存儲(chǔ)器運(yùn)行,假設(shè)每個(gè)處理器的軟件需要有8 KB的內(nèi)存空間用于程序代碼和數(shù)據(jù)。這樣第一個(gè)處理器使用片上存儲(chǔ)器0×0~0x1FFF之間的作為其程序空間,第二個(gè)處理器使用片上存儲(chǔ)器0×2000~0x3FFF 之間的區(qū)域,第三個(gè)處理器使用片上存儲(chǔ)器0×4000~0x5FFF之間的區(qū)域;其他各個(gè)處理器所需的存儲(chǔ)器區(qū)域采用同樣的方法對(duì)片上存儲(chǔ)器進(jìn)行分區(qū)。

Nios Ⅱ SBT 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器分區(qū)模式,允許多個(gè)處理器的軟件運(yùn)行于同一存儲(chǔ)器的不同區(qū)域,確保位于存儲(chǔ)器中的主要代碼段的鏈接和固定地址。

圖2所示六個(gè)處理器在片上儲(chǔ)存器的分區(qū)及代碼段的鏈接。[!--empirenews.page--]

 

 

3.4 設(shè)置啟動(dòng)地址

在多處理器系統(tǒng)中,每個(gè)處理器在存儲(chǔ)器中必須擁有自己的啟動(dòng)區(qū)域,多個(gè)處理器不能從同一非易失性存儲(chǔ)器的同一地址啟動(dòng)。啟動(dòng)存儲(chǔ)器類似程序存儲(chǔ)器一樣也可以進(jìn)行分區(qū),但段和鏈接的概念不同,因?yàn)橥ǔR龑?dǎo)代碼只是復(fù)制到它實(shí)際的程序代碼被鏈接在RAM中,然后跳轉(zhuǎn)到該程序代碼處。為了從同一非易失性存儲(chǔ)器的不同區(qū)域啟動(dòng)多個(gè)處理器,設(shè)置每個(gè)處理器復(fù)位地址,這個(gè)地址就是啟動(dòng)該處理器的位置,啟動(dòng)區(qū)域要留出足夠的空間存放啟動(dòng)代碼。由于沒有支持機(jī)制多個(gè)處理器無法直接訪問CFI FLASH存儲(chǔ)器,需要使用一個(gè)CFI FLASH控制器,Nios Ⅱ處理器通過CFI FLASH控制器讀取或?qū)懭氲紺FI FLASH存儲(chǔ)器。如果多個(gè)Nios Ⅱ處理器啟動(dòng)在同一個(gè)CFI FLASH存儲(chǔ)器。為確保安全訪問,必須刪除一個(gè)主控處理器之外的CFI FLASH 存儲(chǔ)器alt_main()函數(shù)所有初始化的驅(qū)動(dòng)程序,并確認(rèn)啟動(dòng)前完成所有其他處理器在CFIFLASH存儲(chǔ)器的程序初始化。圖3所示六個(gè)處理器從一個(gè)FLASH存儲(chǔ)器啟動(dòng)的映射。

 

 

3.5 共享外設(shè)資源

多個(gè)處理器共享外設(shè)存在嚴(yán)重的問題。共享外設(shè)的最大的問題是中斷,如果允許一個(gè)外設(shè)中斷且所有處理器共享它,沒有可靠的方法保證哪一個(gè)處理器首先響應(yīng)中斷且為哪個(gè)外設(shè)服務(wù)。此外,如果外設(shè)是用來作為多處理器的輸入設(shè)備,很難確定哪個(gè)處理器應(yīng)該從設(shè)備中接受輸入信息。Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)共享外設(shè)資源的方式,是系統(tǒng)中的外設(shè)僅被一個(gè)處理器訪問,如果其他處理器需要使用外設(shè),最好是使用硬件先進(jìn)先出(FIFO)或消息緩沖區(qū)互斥保護(hù)。創(chuàng)建多處理器系統(tǒng)時(shí),僅對(duì)需要通信的處理器和外設(shè)之間進(jìn)行連接。例如,如果一個(gè)處理器運(yùn)行僅使用一個(gè)片上存儲(chǔ)器,該處理器沒有必要與系統(tǒng)中任何其他存儲(chǔ)器連接。處理器與存儲(chǔ)器的分離,不使用物理斷開連接,這樣可節(jié)約FPGA資源,保證處理器不會(huì)破壞存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。

共享資源多處理器與各種組件連接是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),要驗(yàn)證每個(gè)處理器及所需組件的連接是否正確。多數(shù)組件最好是由單一的處理器管理。例如處理器A要求一個(gè)外設(shè)的服務(wù),而該外設(shè)與處理器B連接并由處理器B 管理,處理器A 要求對(duì)該外設(shè)進(jìn)行操作,處理器A 必須請(qǐng)求處理器B.這樣可以使用處理器互斥保護(hù)的共享片上存儲(chǔ)器,用于個(gè)兩處理器之間的通信,達(dá)到多處理器共享外設(shè)的目的。

在多處理器系統(tǒng)中,每個(gè)從外設(shè)可以占據(jù)相同的基地址不會(huì)發(fā)生沖突,只要每個(gè)外設(shè)是被不同的處理器控制。因?yàn)槊總€(gè)從外設(shè)不必一定被每個(gè)處理器控制。如果處理器A被連接到映射地址為0x00008a00的一個(gè)從外設(shè),處理器B也可以被連接到映射地址0x00008a00另一個(gè)從外設(shè),只要處理器A是沒有連接到處理器B的從外設(shè),處理器B 沒有連接到處理器A 的從外設(shè),不會(huì)因?yàn)閺耐庠O(shè)占據(jù)相同的基地址而發(fā)生沖突。圖4方框圖顯示多處理器系統(tǒng)中不同的從外設(shè)組件映射到同一個(gè)基地址的示例。

 

 

4 系統(tǒng)調(diào)試及軟件設(shè)計(jì)

Nios Ⅱ SBT for Eclipse 工具包括了許多功能,它可以進(jìn)行Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)的軟件開發(fā)。能同時(shí)對(duì)多個(gè)Nios Ⅱ處理器進(jìn)行調(diào)試會(huì)話,也可單獨(dú)暫停和恢復(fù)每個(gè)處理器的運(yùn)行,單獨(dú)設(shè)置每處理器的斷點(diǎn)。如果一個(gè)處理器遇到一個(gè)斷點(diǎn),它不會(huì)停止或影響其他處理器的操作。Nios Ⅱ SBT for Eclips對(duì)多個(gè)處理器系統(tǒng)具有可同時(shí)進(jìn)行在片調(diào)試的能力。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題,在設(shè)計(jì)Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)的軟件時(shí),必須要考慮系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及啟動(dòng)地址和異常地址的設(shè)置。設(shè)計(jì)調(diào)試運(yùn)行多處理器系統(tǒng)軟件與單處理器系統(tǒng)相似,一定要清楚每個(gè)處理器的復(fù)位地址、異常地址,CPUID寄存器的值以及存儲(chǔ)器的類型。多個(gè)處理器使用同一個(gè)程序存儲(chǔ)器,而每個(gè)處理器的程序必須存放在不同的區(qū)域,用異常地址為每個(gè)處理器存放程序確定內(nèi)存區(qū)域,使用QSYS為每個(gè)處理器設(shè)置異常地址。

5 結(jié)語(yǔ)

SoPC技術(shù)的出現(xiàn)帶來全新的嵌入式處理器硬件的設(shè)計(jì)理念,使得設(shè)計(jì)嵌入多處理系統(tǒng)硬件電路的有了多種方法和途徑。實(shí)例Nios Ⅱ嵌入式軟核六處理器系統(tǒng)的方案具有一定可行性和實(shí)用性。如何提高嵌入式多個(gè)處理器系統(tǒng)的效率,實(shí)現(xiàn)資源的最佳配置,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本和功耗,怎樣合理選擇時(shí)鐘、I/O、其他外設(shè)等問題有待進(jìn)一步研究解決。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉