多處理器系統(tǒng)中Nios II軟核處理器啟動方案的設計
引言
Nios II 處理器是Altera公司設計的一款基于FPGA的32位RISC嵌入式軟核處理器,具有32位指令集、數據通路及地址空間,是其可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）的核心。Nios II系統(tǒng)采用Altera公司設計的一套Avalon總線交換結構,Avalon總線上的所有信號都與系統(tǒng)時鐘同步且地址、數據和控制信號使用獨立的端口;支持各種傳輸方式;采用從端口仲裁機制,對于有多個主設備的系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量。
采用基于FPGA 的Nios II軟核處理器很容易在嵌入式系統(tǒng)設計中實現多處理器系統(tǒng)。在這樣的多處理器系統(tǒng)中,一般外部處理器做主處理器,Nios II處理器為從處理器,兩個處理器有共用的存儲器可以進行數據交互。本文將通過對Nios II系統(tǒng)啟動的研究設計一方案,用外部處理器配置FPGA,加載程序代碼到Nios II系統(tǒng)中的程序存儲器中,最終完成Nios II系統(tǒng)的啟動。
在多處理器系統(tǒng)的啟動方案
在多處理器系統(tǒng)中,為了降低成本,可以省去Nios II的一個非易失性存儲器外設,如flash、EPROM等,Nios II處理器通過Avalon交換結構連接易失性存儲器,一個外部主處理器及一些必要的接口外設。因此延遲Nios II的啟動是必要的,解決辦法是在Nios II系統(tǒng)中設計一啟動延遲模塊,把此模塊的基址設為Nios II的復位地址。通過此模塊,Nios II處理器上電復位后啟動被延遲,直到數據被傳輸完畢,外部處理器通過啟動延遲模塊向Nios II發(fā)送一個可以開始進入程序存儲器的指令,然后跳轉到程序存儲器開始執(zhí)行,完成后續(xù)的設備初始化及應用程序的執(zhí)行。
外部處理器通過時序轉接橋連接在Avalon交換結構上和Nios II處理器共同構成的一個雙處理器系統(tǒng)如圖1所示。黑色箭頭表示Nios II啟動延遲模塊是通過Avalon交換結構連接的。
圖1 多處理器系統(tǒng)的啟動方案結構
啟動方案的硬件設計
啟動延遲模塊如圖2所示,它有兩個從端口S1、S2：S1一端連接在啟動延遲模塊中的ROM單元上,另一端通過Avalon總線連接在Nios II處理器的指令主端口;S2一端連接在啟動延遲模塊的控制寄存器上,另一端通過Avalon總線連接在外部處理器和Nios II處理器的數據主端口。圖2中箭頭的方向表示數據的流向。
圖2 Nios II啟動模塊的硬件結構 [!--empirenews.page--]
在此需做兩點說明：
* 在啟動延遲模塊中有兩個寄存器,這兩個寄存器定義如下：
說明：控制寄存器1用于存放Nios
II程序存儲器中_start程序的入口地址?？刂萍拇嫫?中跳轉標志位（31_1位保留） 。
這兩個寄存器值由外部處理器來寫入,其中偏移量為0的寄存器存放Nios II程序存儲器中_start程序的入口地址,此值由外部處理器寫入;偏移量為1的寄存器只用了第0位,其它位保留,當外部處理器配置好Nios II處理器系統(tǒng)后,會向此寄存器的第0位寫入1,否則保持為0。
* ROM中的數據是外部處理器在配置FPGA的時候寫入的,因此只要FPGA配置完成后,啟動代碼就存放進ROM中了。ROM的大小要根據啟動程序代碼的大小來決定,設計中應盡可能降低這段程序的代碼存儲量。
下邊是用Verilog 硬件描述語言編寫的啟動延遲模塊的硬件代碼的主體框架結構：
／／ＲＯＭ讀端口（Ｓ１）：
boot_rom the_boot_rom
(
.clock (s1_clk), file://s1_clk為來自Avalon總線模塊上的S1端口的時鐘信號
.aclr (s1_reset), file://s1_reset為來自Avalon總線模塊上的S1端口的復位信號
.q (s1_readdata), file://s1_readdata為流向Avalon總線模塊的S1端口的32位數據
.address (s1_address) file://s1_address為來自于Avalon總線模塊的S1端口的地址
);
file://控制寄存器讀寫端口（S2）：
control_register the control_register
(
.clk (s2_clk), file://s2_clk為來自Avalon總線模塊上的S2端口的時鐘信號
.reset (s2_reset), file://s2_reset為來自Avalon總線模塊上的S2端口的復位信號
.read (s2_read), file://s2_read為來自Avalon總線模塊上的S2端口的讀使能信號
.write (s2_write), file://s2_write為來自Avalon總線模塊上的S2端口的寫使能信號
.schipselect (s2_chipselect), file://s2_chipselect為來自Avalon總線模塊上的S2端口的片選信號
.address (s2_address), file://s2_address為來自Avalon總線模塊上的S2端口的地址
.readdata (s_readdata), file://s2_chipselect為流向Avalon總線模塊上的S2端口的32位讀數據
.writedata (s2_writedata) file://s2_writedata為來自Avalon總線模塊上的S2端口的32位寫數據
);
啟動方案的軟件設計
啟動方案的軟件設計目標是當系統(tǒng)復位后,在外部處理器向Nios II程序存儲器和數據存儲器傳輸數據的過程中,Nios II處理器運行要受到外部處理器的控制。當一切就緒后,外部處理器發(fā)出一條釋放Nios II處理器的命令,接下來Nios II處理器就可以正常運行了。
軟件部分主要就是存放在啟動延遲模塊中ROM的代碼,此代碼主要是檢測啟動延遲模塊中控制寄存器2的第0位是否為1。若為1,則跳轉到控制寄存器1中所存儲的地址處執(zhí)行。若設控制寄存器的基址為CONTROL_REG_BASE,為了減少代碼量,這段代碼容易用Nios II的匯編指令來實現,代碼部分在此從略。
最后本方案在我們自己設計的一塊開發(fā)板上經過測試,能夠正確完成Nios II 處理器的啟動。
結語
采用多處理器的系統(tǒng)雖然可以提高系統(tǒng)的性能,但傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)一般只出現在工作站及高端PC上,在嵌入式系統(tǒng)中由于其設計代價太高很少采用。本文設計了一種在多處理器系統(tǒng)中的Nios II軟核處理器的啟動方案,這個方案在外部處理器向Nios II的程序存儲器和數據存儲器加載數據時,可以控制Nios II處理器的啟動。
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