基于MicroBlaze軟核的SOPC系統設計

摘要：設計了一款基于雙MicroBlaze軟核處理器、面向嵌入式領(lǐng)域的SOPC系統，在信息處理繁忙的情況下，實(shí)現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靈活性，降低設備尺寸。兩處理器之間通過(guò)Mutex模塊實(shí)現同步功能，通過(guò)Mailbox模塊實(shí)現通信和中斷功能，通過(guò)共享BRAM模塊實(shí)現大塊通信功能，并進(jìn)行了有效的功能驗證。該SOPC系統在XUPV5-LX110T開(kāi)發(fā)板上得到驗證。測試結果表明，兩軟核處理器之間有效地實(shí)現了同步，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(zhù)時(shí)代的發(fā)展，單核片上可編程系統SOPC(Systern On a Programmable Chip)解決復雜問(wèn)題的能力與處理速度已很難滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，面向多處理器SOPC系統的設計成為片上系統發(fā)展的必然趨勢。具有高密度、大容量邏輯的FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現使得高性能片上多處理器的設計成為現實(shí)。目前，片上多核系統的設計已有一定發(fā)展，但在處理器間通信和中斷方面仍需進(jìn)一步的研究。本文在處理器間通信和中斷控制方面進(jìn)行了深入的研究。

MicroBlaze是一個(gè)被優(yōu)化過(guò)的可以在Xilinx公司FPGA中運行的軟核處理器，可以和其他外設IP核一起完成可編程系統芯片的設計。它具有運行速度快、占用資源少、可配置性強等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于通信、高端消費市場(chǎng)等領(lǐng)域。MicroBlaze處理器采用RISC(ReducedInstruction Set Computer)指令集結構和哈佛存儲結構，指令、數據總線(xiàn)位寬均為32位。本文MicroBlaze處理器采用面積優(yōu)化，流水線(xiàn)分為3級，即取指、譯碼和執行，減少了硬件開(kāi)銷(xiāo)。

1 系統設計

1.1 雙MicroBlaze SOPC系統結構

雙MicroBlaze SOPC系統結構圖如圖1所示。從圖1中可知，整個(gè)SOPC系統可以分為兩個(gè)處理器子系統。系統采用兩個(gè)PLB(Processor Local Bus)v46總線(xiàn)作為系統的通信結構，所有的模塊都是直接或間接地連接到這兩個(gè)總線(xiàn)上。兩個(gè)總線(xiàn)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(gè)處理器并不是完全獨立的。表1列出了SOPC系統包含的主要模塊。

表1中的BRAM有兩種用途：一是作為單個(gè)處理器的私有存儲器用來(lái)存儲指令和數據，它通過(guò)存儲器局部總線(xiàn)LMB與處理器相連;二是作為兩個(gè)處理器之間的共享存儲器(Shared Memory)用作通信模塊進(jìn)行數據傳輸。它所傳輸的數據量比Mailbox大很多，特別是在傳輸信息量大于千字節時(shí)，共享存儲器是最常用的通信模塊。

1.2 硬件設計

1.2.1 硬件結構

圖1所示的SOPC系統的整體結構不僅和處理器的數目有關(guān)，還和系統中模塊的配置及功能有關(guān)，外部存儲器和外圍設備的不同配置都會(huì )影響系統的結構和功能。具體如下：

①SOPC系統通過(guò)各自獨立的PLBv46總線(xiàn)隔離兩處理器子系統，可以確保兩個(gè)處理器系統在執行各自的處理器事務(wù)時(shí)不會(huì )相互干擾。

②共享模塊(例如MPMC)，采用多端口結構，這些多端口模塊使多個(gè)處理器在訪(fǎng)問(wèn)共享模塊時(shí)可以并行進(jìn)行。

③兩個(gè)獨立的MicroBlaze處理器Mb_0和Mb_1，通過(guò)共享部件連接在一起，這些共享部件使得兩個(gè)MicroBlaze處理器之間以各種方式通信。

④此SOPC系統中有兩個(gè)MicroBlaze處理器軟核，其中任何一個(gè)MicroBlaze都可以靈活地被其他類(lèi)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(gè)處理器可以共享互斥訪(fǎng)問(wèn)設備，比如串口UART、串行外設接口SPI(Serial Periphieral Interface)等，這種情況需要在沒(méi)有直接連接此外設的總線(xiàn)和直接連接此外設的總線(xiàn)之間提供一個(gè)系統總線(xiàn)橋。

⑥關(guān)鍵的外圍設備是外部存儲控制器MPMC，它最多提供8個(gè)端口，可以通過(guò)XCL(Xilinx Cache Link)連接處理器局部存儲器(BRAM)，通過(guò)PLBv46總線(xiàn)連接到系統中，因此，可以將1～4個(gè)處理器同時(shí)連接到MPMC控制器上。

⑦兩個(gè)處理器之間的Mailbox和Mutex有簡(jiǎn)單通信的功能，主要體現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(méi)有被加載或者運行的時(shí)候，它以文件的形式存放在硬盤(pán)上。當它被下載到MPMC內存中的時(shí)候，系統會(huì )自動(dòng)從MPMC內存中劃分出一段區域，用來(lái)將這個(gè)磁盤(pán)上的文件映射到內存相應的位置上。此時(shí)這塊內存中的數據就是磁盤(pán)文件的一個(gè)拷貝。存儲器映像就是指和被加載的磁盤(pán)文件相對應的一塊內存區域。由于MPMC存儲器和外圍設備是統一編址的，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(gè)處理器共用一條總線(xiàn)時(shí)，存儲器、外圍設備和共享元素是密不可分的，在本文設計的處理器系統中，每一個(gè)處理器都有自己獨立的系統總線(xiàn)，因此，所有的存儲器和外圍設備與共享元素都是分開(kāi)的。也就是說(shuō)，不同總線(xiàn)上的相同外圍設備可以有相同的地址范圍。在每一個(gè)處理器子系統中，為了能夠運行可執行文件，對存儲器映像有一些要求。每個(gè)處理器都必須將自己的可執行文件加載到各自私有的MPMC地址空間中，可執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(guò)本地存儲器接口(XCL)或者PLBv46總線(xiàn)接口連接起來(lái)。一旦私有存儲器與其他總線(xiàn)連接完畢，XPS的地址發(fā)生器會(huì )為每一個(gè)MieroBlaze處理器子系統(包括外圍設備和存儲器)生成適當地址范圍的存儲器映像。

1.2.3 處理器之間的通信與同步

在Xilinx SOPC系統設計中，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，調試模塊是MDM。

Shared Memory共有兩個(gè)通信端口，它通過(guò)存儲器控制端口分別連接到系統的兩條PLBy46總線(xiàn)上。系統通過(guò)處理器對Slhared Memory模塊進(jìn)行讀寫(xiě)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成。當信息傳輸量比較大時(shí)，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(jìn)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(lèi)似于TCP/IP的一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。

②處理器之間通過(guò)Mailbox通信有同步和異步之分：同步主要體現在處理器之間的通信上，接收者實(shí)時(shí)地讀取Mailbox中的數據;異步主要體現在處理器之間的中斷上，發(fā)送者通過(guò)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(gè)Mailbox核都有一個(gè)FIFO和一個(gè)雙端隊列，分別用來(lái)發(fā)送和接收信息，用戶(hù)可以根據自己的需要對它們的深度進(jìn)行配置，主要通過(guò)分布式的RlAM或者BRAM來(lái)實(shí)現。

④Mailbox共有兩個(gè)端口分別連接到系統的兩個(gè)總線(xiàn)上來(lái)實(shí)現處理器之間的通信。

⑤Mailbox軟核比較適合傳輸信息量小于100字節的信息，發(fā)送者需要從本地或者外部存儲器拷貝整個(gè)信息到FIFO，然后，接收者同步地拷貝整個(gè)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(huì )耗費掉處理器的一些時(shí)鐘周期。

⑥處理器間的中斷是指一個(gè)處理器去中斷另一個(gè)處理器的行為，通過(guò)Mailbox的異步通信來(lái)實(shí)現，處理器發(fā)送中斷就是往Mailbox里寫(xiě)入一個(gè)信息，然后Mailbox通過(guò)中斷控制器對接收者產(chǎn)生一個(gè)中斷，接收者收到中斷以后會(huì )反饋給發(fā)送者，當Mailbox中沒(méi)有新的信息時(shí)，中斷為無(wú)效狀態(tài)。

本文在SOPC系統設計中，用到的同步控制模塊是Mutex。此模塊主要有以下特點(diǎn)：

①存儲器映像以后，Mutex寄存器的數量可配置這些寄存器中有分別存儲數據和處理器ID的區域，Mutex寄存器中的數據和ID分別通過(guò)Mutex進(jìn)行測試和設置。

②復位時(shí)，Mutex的值變?yōu)?，它表示Mutex處于開(kāi)鎖狀態(tài)(UNLOCK)，并且其中的處理器ID號沒(méi)有賦值，當Mutex處于鎖定狀態(tài)(LOCK)時(shí)，其中的值保持不變。

③處理器通過(guò)軟件賦值的方式將各自的處理器ID號寫(xiě)入到相應的Mutex寄存器中，從而獲得Mutex的使用權，當兩個(gè)處理器同步訪(fǎng)問(wèn)Mutex寄存器時(shí)，每個(gè)處理器都會(huì )讀取Mutex寄存器中的值，然后和自己的ID號進(jìn)行比較，比較匹配的處理器才可訪(fǎng)問(wèn)Mutex寄存器，修改其中的數據。

MicroBlaze核通過(guò)處理器調試口與MDM(Microprocessor Debug Module)調試模塊相連。調試模塊MDM可以調試系統中的每一個(gè)處理器。 MDM的特點(diǎn)如下：

①MDM的調試端口數目是可配置的，最多可以達到8個(gè)。

②MDM提供一個(gè)JTAG UART接口通向系統中的某個(gè)處理器，這個(gè)UART接口是通過(guò)PLBv46總線(xiàn)接口連接到處理器上的。

③MDM不會(huì )自動(dòng)地調試每個(gè)處理器，用戶(hù)必須通過(guò)輸入調試命令來(lái)進(jìn)行選擇性的調試。

1.3 軟件設計

1.3.1 存儲器映像

為了保證每個(gè)處理器在執行軟件部分時(shí)不發(fā)生沖突，必須對其存儲器進(jìn)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(hù)可以靈活地為兩個(gè)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(shí)現MicroBlaze處理器隨時(shí)調用，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用戶(hù)的需求選擇。每個(gè)可執行文件的存儲器映像地址都是通過(guò)編譯器來(lái)實(shí)現的，實(shí)現以后被傳到鏈接器，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。其通信接口函數如下：

SHM_WRITEAREA();/*向Shared Memory中寫(xiě)數據*/

SHM_READAREA();/*從Shared Memory中讀數據*/

利用Mailbox模塊可以實(shí)現處理器之間的信息傳遞和中斷。這在軟件設計中主要體現在以下代碼行中：

XMbox_WriteBloeking();/*向Mailbox中寫(xiě)數據*/

XMbox_ReadBlocking();/*從Mailbox中讀數據*/

在軟件應用設計中，兩個(gè)處理器之間的同步是通過(guò)Mutex Locks實(shí)現的，它的狀態(tài)有LOCK和UNLOCK之分。Mutex狀態(tài)的操作主要體現在以下命令行中：

MLOCK(); /*使用之前LOCK*/

MUNLOCK();/*使用之后UNLOCK*/

軟件的調試(debug)需要手工地選擇處理器，兩個(gè)處理器不可以同時(shí)調試。在XMD Console中的調試命令主要有：

debugconfig-reset_on_run disable/*下載時(shí)避免復位*/

dow executable.elf /*下載ELF文件*/run /*運行*/

2 實(shí)驗結果

本設計采用調試模塊分別對兩個(gè)處理器進(jìn)行調試，通過(guò)超級終端輸出測試結果。

2.1 Mailbox的測試結果

通過(guò)Mailbox可以實(shí)現處理器之間的中斷和通信。兩處理器首先通過(guò)交換字符串“helo BOY”的形式匯合(rendezvous)，以此來(lái)證明兩個(gè)處理器的連接情況。在這里，每次發(fā)送的數據包為2 044字節，共發(fā)送了3個(gè)數據包，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，可以重復發(fā)送。

2.2 Mutex的測試結果

通過(guò)Mutex可以實(shí)現兩處理器的同步。當兩個(gè)MicroBlaze處理器訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)，可以用Mutex核修改臨界區域里共享資源的值。臨界區域里的值是隨著(zhù)處理器的訪(fǎng)問(wèn)而更新的。在沒(méi)有輸出時(shí)處理器會(huì )鎖定Mutex核，有輸出時(shí)解鎖Mutex核。同步使得控制臺的輸出結果正確可用，不會(huì )出現混亂的狀態(tài)。

2.3 Shared Memory的測試結果

通過(guò)Shared Memory實(shí)現處理器之間的通信。處理器O首先向共享存儲器中寫(xiě)入一個(gè)32位的數據并設置一個(gè)共享flag表明數據可用，等待處理器1讀取這個(gè)數據。然后，處理器1從共享存儲器中讀取處理器0寫(xiě)入的數據并設置一個(gè)共享flag表明它已經(jīng)讀取了這個(gè)數據。雙處理器會(huì )重復這樣的過(guò)程，直到達到所設置的最大數目12。

結語(yǔ)

本文以MieroBlaze軟核為基礎，利用XPS作平臺來(lái)設計雙MieroBlaze處理器片上系統，此片上系統可以很好地實(shí)現兩軟核處理器間的通信和中斷功能，該系統在Xilinx公司的XUPV5-LX110T開(kāi)發(fā)板上得到實(shí)現，在超級終端中得到驗證。本設計的優(yōu)點(diǎn)是把處理器核之間的通信、中斷、同步放在了同一系統中進(jìn)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設計和操作系統移植。