Virtex-II Pro開發(fā)板進(jìn)行雙核系統(tǒng)解決方案

Xilinx Virtex-II Pro開發(fā)板為各大學(xué)主要采用的開發(fā)板，該板上主芯片XC2VP30內(nèi)置兩個(gè)硬核PowerPC405，具有30 816邏輯單元、136個(gè)18位的乘法器、2 448 Kbit的Block RAM。國內(nèi)研究應(yīng)用多使用該板進(jìn)行單核系統(tǒng)設(shè)計(jì)，未能充分利用其雙核資源。其原因在于：Xilinx公司軟件對Virtex-II系列開發(fā)板的雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持性不好;Virtex-II Pro開發(fā)板只具有一個(gè)串口輸出，給調(diào)試帶來了極大的不便。

　　針對在Virtex-II Pro開發(fā)板進(jìn)行雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)難
度大的問題，本文給出雙核硬件系統(tǒng)的構(gòu)建方法，提出一種共享串口輸出和共享存儲(chǔ)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠充分利用板上資源，下載調(diào)試非常便利，可以很好地支持雙核的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用EDK10.1i03開發(fā)環(huán)境。設(shè)計(jì)雙核的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　

 

　　系統(tǒng)具有2個(gè)PowerPC405處理器：PPC_0和PPC_1，兩個(gè)處理器具有各自獨(dú)立的私有Boot BRAM，用于存儲(chǔ)相應(yīng)的應(yīng)用程序。PPC_0通過總線PLB_0控制外設(shè)SDRAM，PPC_1通過總線PLB1控制外設(shè)LED_4Bits。兩個(gè)處理器具有各自的中斷控制器和復(fù)位控制器。JTAG具有2個(gè)PowerPC的接口，并通過共享串口進(jìn)行信息輸出。

　　雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如下：

　　(1)利用BSB(Base system Builder)向?qū)蓡魏讼到y(tǒng)。

　　系統(tǒng)BSB設(shè)置的參數(shù)如下：

　　· System clock：100 MHz，no cache，no OCM

　　· RS232：opb UARTLITE，115200n8，use interrupt

　　· DDRAM：PLB DDR 256 MB，use interrupt

　　· LEDs_4 Bit：use interrupt

　　· PLB_BRAM_IF_CNTLR：64 KB

　　(2)添加和配置IP

　　由于EDK10不支持雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此需要手動(dòng)添加和配置相關(guān)IP，需添加的IP核有：

　　ppc405, plb_v46, plb2plb_bridge, bram_block, opb_intc plb_bram_if_cntlr, xps_mutex

　　MHS(Microprocessor Hardware Specification)是描述硬件結(jié)構(gòu)的文件，需要修改MHS文件對添加的IP核進(jìn)行配置。這里給出主要的ppc405、bram_block、xps_mutex核的配置說明，其他IP核將不再贅述。

　?、賹PC405_1的配置說明

　　BEGIN ppc405

　　PARAMETER INSTANCE = PPC_1

　　PARAMETER HW_VER = 3.00.a

　　PARAMETER C_DSOCM_DCR_BASEADDR=

　　0b0000100000

　　PARAMETER C_DSOCM_DCR_HIGHADDR =

　　0b0000100011

　　BUS_INTERFACE RESETPPC=ppc_rest_bus_1 //復(fù)位

　　BUS_INTERFACE JTAGPPC = jtagppc_cntlr_0_1

　　#用于PPC_1調(diào)試

　　BUS_INTERFACE IPLB0=plb1//總線

　　BUS_INTERFACE DPLB0=plb1

　　PORT EICC405EXTINPUTIRQ=xps_intc_1_Irq

　　PORT CPMC405CLOCK=proc_clk_s //時(shí)鐘

　　END

　?、趯utex核進(jìn)行配置

　　BEGIN xps_mutex

　　PARAMETER INSTANCE = xps_mutex_0

　　PARAMETER HW_VER = 1.00.a

　　PARAMETER C_NUM_MUTEX = 2

　　PARAMETER C_SPLB0_BASEADDR = 0x82400000

　　#該地址應(yīng)用于Mutex初始化

　　PARAMETER C_SPLB0_HIGHADDR = 0x8240ffff

　　PARAMETER C_SPLB1_BASEADDR = 0x82600000

　　#該地址應(yīng)用于Mutex初始化

　　PARAMETER C_SPLB1_HIGHADDR = 0x8260ffff

　　BUS_INTERFACE SPLB1 = plb1

　　BUS_INTERFACE SPLB0 = plb0

　　END

　　③共享BRAM核進(jìn)行配置

　　BEGIN bram_block

　　PARAMETER INSTANCE = share_bram

　　PARAMETER HW_VER = 1.00.a

　　BUS_INTERFACE PORTB=share_bram_if_cntlr_1_PORTA

　　BUS_INTERFACE PORTA = share_bram_if_cntlr_0_

　　PORTA

　　END

　　(3)生成地址空間(Generate Addresses)

　　使用Generate Addresses命令，系統(tǒng)自動(dòng)分配地址空間。由于軟件本身不支持雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在地址空間沖突時(shí)，需要手動(dòng)對沖突的地址空間進(jìn)行調(diào)整。使用Generate Bitstream可產(chǎn)生系統(tǒng)的硬件比特流。

　　[!--empirenews.page--]2 軟件工程設(shè)計(jì)

 

　　2.1 軟件工程構(gòu)建

　　(1)配置軟件平臺(tái)

　　由于兩個(gè)PowerPC通過總線及總線橋共享串口輸入，因此需要在Software Platform Settings中，對stdout和stdin配置為RS232_Uart_1。

　　(2)添加應(yīng)用工程

　　添加工程ppc0_test_share和ppc1_test_share。選中兩個(gè)工程文件，分別Mark to initialize BRAM，并將軟件工程指定給各自的處理器。

　　Generate the linker script，指定將所有程序段放入各自的私有BRAM中。Update Bitstream以生成相應(yīng)的全局比特流文件。

　　軟件工程包括SDRAM 測試、LED外設(shè)測試、SHARE BRAM的讀寫操作，測試結(jié)果通過共享串口進(jìn)行輸出。雙核CPU通過Mutex核進(jìn)行互鎖訪問，控制訪問共享串口。

　　2.2 Mutex核使用

　　Mutex提供多核環(huán)境下處理器對共享設(shè)備的互斥訪問。其原理是：Mutex具有32 bit的寫數(shù)據(jù)寄存器，如圖2所示。CPU_0訪問共享資源前，先向該數(shù)據(jù)寄存器寫自己的CPU_ID，如果Mutex設(shè)備空閑，則將CPUID寫入寄存器，并Lock置1。CPU_0通過查詢和比較寫數(shù)據(jù)寄存器和自己的CPUID，以確定是否獲得訪問共享資源的權(quán)限。沒有獲得權(quán)限，則等待或者退出;獲得權(quán)限后，對共享資源訪問，訪問結(jié)束后釋放鎖。其在系統(tǒng)中的連接如圖3所示。

　　

 

　　xps_mutex連接到PLB0和PLB1總線上，初始化時(shí)需要對其地址進(jìn)行配置。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，由于Xilinx的軟件設(shè)計(jì)問題，EDK10在頭文件xparameters.h中不能正常生成SPLB1的地址，表現(xiàn)為軟件自動(dòng)生成的SPLB1和SPLB0的地址相同，會(huì)造成Mutex初始化失敗。因此在初始化Mutex時(shí)，切勿直接使用XMutex_LookupConfig()函數(shù)。PPC_1初始化Mutex的過程如下：

　　#define XPAR_XPS_MUTEX_0_SPLB1_BASEADDR 0x82600000

　　void init_lock ()

　　{ XMutex_Config *cfg;

　　XMutex_Config XMutex_ConfigTable[] ={

　　{ XPAR_XPS_MUTEX_0_DEVICE_ID,

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_SPLB1_BASEADDR,

　　//該地址需要對應(yīng)SPLB1的地址

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_NUM_MUTEX,

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_ENABLE_USER}

　　};

　　cfg=&XMutex_ConfigTable[0];

　　XMutex_CfgInitialize(&mutex, cfg, cfg->BaseAddress);

　　}

　　訪問共享串口的操作為：

　　void share_rs232(char *messages)

　　{ char *tmp;

　　XMutex_Lock(&mutex, MUTEX_NUM);//對共享資源加鎖

　　printf("CPU(%x):%srn",XPAR_CPU_ID,messages);

　　XMutex_Unlock(&mutex,MUTEX_NUM); //釋放

　　}

　　2.3 系統(tǒng)測試結(jié)果

　　2.3.1 共享串口測試

　　設(shè)置超級終端，連接JTAG電纜，選中Download Bitstream將比特流下載到目標(biāo)板上。通過共享串口，兩個(gè)CPU分別輸出其工作狀態(tài)。輸出結(jié)果如圖4所示。

　　

 

　　其中CPU(0)輸出私有存儲(chǔ)器SDRAM的測試正確信息，說明PPC_0正常工作。

　　同時(shí)觀察板上LED顯示，led_0、led_2和led_1、led_3呈現(xiàn)交替閃爍狀態(tài)，說明PPC_1及外設(shè)LED工作正常。

　　2.3.2 共享存儲(chǔ)器讀寫測試

　　SSHM_READFLAG為CPU讀寫狀態(tài)指示。SSHM_READFLAG為0時(shí)，PPC_0進(jìn)行寫操作;為1時(shí)，PPC_1進(jìn)行讀操作。共享存儲(chǔ)器的讀寫操作測試結(jié)果如圖5所示。

　　

 

　　PPC_0對共享BRAM進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)依次為0～4，每次寫操作完成后將SSHM_READFLAG置1。PPC_1在PPC_0每次數(shù)據(jù)操作完畢后，檢測到SSHM_READFLAG為1時(shí)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，操作完成后置SSHM_READFLAG為0。

　　本文完成基于Virtex-II pro開發(fā)板的雙核PowerPC系統(tǒng)的構(gòu)建，提高板上資源利用效率。系統(tǒng)通過Mutex的互鎖機(jī)制完成對共享資源的控制。共享串口輸出調(diào)試結(jié)果，解決了開發(fā)板的單串口不易調(diào)試的問題;通過共享BRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并行協(xié)同處理;直接下載比特流即可實(shí)現(xiàn)雙核的系統(tǒng)運(yùn)行，調(diào)試和系統(tǒng)運(yùn)行更為方便。該系統(tǒng)為使用Virtex-II Pro開發(fā)板進(jìn)行雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。