基于Nios Ⅱ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)研究

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

0 引言

基于SoPC 技術開發(fā)的嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)具有可自主設計，重構性好，軟硬件裁剪容易，系統(tǒng)擴充升級方便，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)性價比和實用性一種有效途徑。

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、硬件描述語言和編程有機的結合出來，設計處理器硬件電路的新技術。

片上Nios Ⅱ嵌入式多處理器系統(tǒng)優(yōu)勢在于設計者可根據(jù)的實際的需要，自主選擇Nios Ⅱ處理器的類型和數(shù)目并進行設置，對存儲器和外圍設備進行優(yōu)化配置，最大限度提高片內資源和系統(tǒng)資源的利用率。

1.1 Nios Ⅱ處理器

由Nios Ⅱ軟核處理器構建的系統(tǒng)，對系統(tǒng)軟硬件容易進行裁剪，并可集成在一個FPGA 芯片上，構建系統(tǒng)和實時評估非常迅速、方便，可大大地縮短設計周期，降低設計風險。

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。非共享資源多個處理器系統(tǒng)中的多個Nios Ⅱ處理器完全是獨立的，不共享系統(tǒng)資源，處理器相互之間無干擾，系統(tǒng)結構不太復雜。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Nios Ⅱ處理器安全、可靠的工作，它對提高每個處理器的性能、減小體積，降低成本和功耗有利，但系統(tǒng)軟件的設計較為復雜。

按處理器拓撲結構分為2 種，一種是非層次結構，處理器與系統(tǒng)組件的連接容易;另一種是層次結構，它可根據(jù)實際需要來確定Nios Ⅱ處理器的數(shù)目，優(yōu)化系統(tǒng)的內部結構，有效利用FPGA芯片的資源。但存在平衡多處理器的負載和任務協(xié)調的問題。

2 共享資源多處理器系統(tǒng)

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

2.1 共享系統(tǒng)資源

Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)可共享存儲器、外圍設備系統(tǒng)資源。為了確保每個處理器共享資源，防止由于處理器之間的干擾，引起程序或數(shù)據(jù)的錯誤，導致整個系統(tǒng)的崩潰。Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)中使用硬件互斥核組件對共享資源進行保護處理，以協(xié)調各個處理器的正常工作，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)調各個處理器對共享資源的訪問。硬件互斥核是沒有內部功能的，是一個簡單的QSYS組件。它提供了一個協(xié)議來保證對共享資源的所有權的互斥，互斥協(xié)議是在任何時刻只有一個處理器允許訪問共享硬件資源，這樣才能有效保護多個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提供一個原子的測試和設置操作，它允許處理器測試，如果互斥是可用的話，獲得互斥鎖處理器進行單一的操作。當處理器完成使用共享外設與互斥鎖，會釋放互斥鎖。此后，另一個處理器可以獲取該互斥鎖和共享外設的使用權。

需要注意，互斥核并沒有外設系統(tǒng)被多個處理器同時訪問的物理保護，運行在處理器上的軟件負責遵守互斥協(xié)議，軟件通過寫獲取互斥鎖后，處理器訪問其相關聯(lián)的共享外圍設備。多個處理器訪問一個mutex核，則每個處理器有一個唯一的標識符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mutex 核的，直接對底層硬件進行操作，每個處理器通過寫它的cpuid 控制寄存器的值到mutex 寄存器的owner 域對mutex 加鎖，而mutex 不能對HAL API 或ANSI C標準庫進行訪問。

3 片上嵌入式Nios Ⅱ軟核六處理器系統(tǒng)實例

片上嵌入式Nios Ⅱ六處理器硬件系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

3.1 硬件系統(tǒng)結構

由六個Nios Ⅱ處理器、硬件互斥核、片上存儲器、JTAG UART、定時器、FLASH 控制器、FLASH 存儲器、System ID、Avalon Switch Fabric總線組成系統(tǒng)硬件的基本結構。該系統(tǒng)采用層次結構，其中第六個Nios Ⅱ處理器、片上存儲器、JTAG UART、System ID、定時器、FLASH 控制和存儲器處在結構的頂層。處在底層的5 個子系統(tǒng)共享存儲器資源，每個子系統(tǒng)包含一個NiosⅡ處理器、JTAG UART、定時器和硬件互斥核，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)設置

Nios Ⅱ處理器有快速型、標準型和經濟型三種類型[3],快速型配置性能最高，經濟型配置占用片內資源最少，標準型配置的性能和占用片上資源介于快速型和經濟型之間。根據(jù)實際應用需要對系統(tǒng)性價比及功耗的要求，合理選擇和配置Nios Ⅱ處理器。

多處理器系統(tǒng)中對每一個處理器都要進行正確的設置，否則即使創(chuàng)建的硬件系統(tǒng)已通過編譯并生成，也會造成多處理器系統(tǒng)不能正常運行的問題。如果多個處理器使用片上存儲器為共享程序存儲器，則必須正確設計異常地址。如果使用CFI FLASH存儲器區(qū)域作為多個處理器的引導區(qū)，則必須要正確設計復位地址。使用不同類型的存儲器要正確的進行設置。

3.3 共享程序存儲器

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

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

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

3.4 設置啟動地址

在多處理器系統(tǒng)中，每個處理器在存儲器中必須擁有自己的啟動區(qū)域，多個處理器不能從同一非易失性存儲器的同一地址啟動。啟動存儲器類似程序存儲器一樣也可以進行分區(qū)，但段和鏈接的概念不同，因為通常引導代碼只是復制到它實際的程序代碼被鏈接在RAM中，然后跳轉到該程序代碼處。為了從同一非易失性存儲器的不同區(qū)域啟動多個處理器，設置每個處理器復位地址，這個地址就是啟動該處理器的位置，啟動區(qū)域要留出足夠的空間存放啟動代碼。由于沒有支持機制多個處理器無法直接訪問CFI FLASH存儲器，需要使用一個CFI FLASH控制器，Nios Ⅱ處理器通過CFI FLASH控制器讀取或寫入到CFI FLASH存儲器。如果多個Nios Ⅱ處理器啟動在同一個CFI FLASH存儲器。為確保安全訪問，必須刪除一個主控處理器之外的CFI FLASH 存儲器alt_main()函數(shù)所有初始化的驅動程序，并確認啟動前完成所有其他處理器在CFIFLASH存儲器的程序初始化。圖3所示六個處理器從一個FLASH存儲器啟動的映射。

3.5 共享外設資源

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

共享資源多處理器與各種組件連接是設計中的關鍵環(huán)節(jié)，要驗證每個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要求一個外設的服務，而該外設與處理器B連接并由處理器B 管理，處理器A 要求對該外設進行操作，處理器A 必須請求處理器B.這樣可以使用處理器互斥保護的共享片上存儲器，用于個兩處理器之間的通信，達到多處理器共享外設的目的。

在多處理器系統(tǒng)中，每個從外設可以占據(jù)相同的基地址不會發(fā)生沖突，只要每個外設是被不同的處理器控制。因為每個從外設不必一定被每個處理器控制。如果處理器A被連接到映射地址為0x00008a00的一個從外設，處理器B也可以被連接到映射地址0x00008a00另一個從外設，只要處理器A是沒有連接到處理器B的從外設，處理器B 沒有連接到處理器A 的從外設，不會因為從外設占據(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)中不同的從外設組件映射到同一個基地址的示例。

4 系統(tǒng)調試及軟件設計

Nios Ⅱ SBT for Eclipse 工具包括了許多功能，它可以進行Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)的軟件開發(fā)。能同時對多個Nios Ⅱ處理器進行調試會話，也可單獨暫停和恢復每個處理器的運行，單獨設置每處理器的斷點。如果一個處理器遇到一個斷點，它不會停止或影響其他處理器的操作。Nios Ⅱ SBT for Eclips對多個處理器系統(tǒng)具有可同時進行在片調試的能力。

系統(tǒng)軟件設計應注意的問題，在設計Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)的軟件時，必須要考慮系統(tǒng)硬件結構的特點以及啟動地址和異常地址的設置。設計調試運行多處理器系統(tǒng)軟件與單處理器系統(tǒng)相似，一定要清楚每個處理器的復位地址、異常地址，CPUID寄存器的值以及存儲器的類型。多個處理器使用同一個程序存儲器，而每個處理器的程序必須存放在不同的區(qū)域，用異常地址為每個處理器存放程序確定內存區(qū)域，使用QSYS為每個處理器設置異常地址。

5 結語

SoPC技術的出現(xiàn)帶來全新的嵌入式處理器硬件的設計理念，使得設計嵌入多處理系統(tǒng)硬件電路的有了多種方法和途徑。實例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用性。如何提高嵌入式多個處理器系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)資源的最佳配置，簡化系統(tǒng)結構、降低成本和功耗，怎樣合理選擇時鐘、I/O、其他外設等問題有待進一步研究解決。