基于Nios II軟核的多核處理器系統的設計與實(shí)現

　　重要的是，在系統中互斥核Mutex本身無(wú)法從物理上防止共享資源被處理器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，而提供此功能是我們所編寫(xiě)的軟件程序。在獲得相關(guān)共享資源前，軟件總是詢(xún)問(wèn)并獲得Mutex核。

　　2.2 軟件設計

　　本設計中，兩個(gè)處理器的軟件程序都擁有自己獨有的一段存儲空間，這些存儲空間都位于同一個(gè)物理存儲設備SDRAM上，如圖3所示，第一個(gè)處理器使用SDRAM中0x0到0x1FFFF之間的地址空間，第二個(gè)處理器使用0x20000到0x2FFFF之間的地址空間，并且以異常地址作為邊界。

　　異常地址是程序加載的地址，決定著(zhù)哪個(gè)處理器的軟件程序可以占據空間基地址運行。Nios II IDE負責鏈接處理器的軟件設計并映射到存儲器中，并為每個(gè)處理器提供其獨有的段空間來(lái)運行軟件設計。對于每個(gè)處理器來(lái)說(shuō)，有五個(gè)主要的代碼段需要映射到存儲器的固定地址中：.text，存放實(shí)際執行的代碼;.rodata，存放實(shí)際執行代碼中所使用的常量;.rwdata，存放讀寫(xiě)變量和指針;Heap，自動(dòng)分配的空間;Stack，存放函數調用的參數和其他臨時(shí)的數據。

　　同時(shí)在雙處理器系統中，每個(gè)處理器都必須從自己的啟動(dòng)存儲空間來(lái)啟動(dòng)。啟動(dòng)存儲器和程序存儲器一樣也能被分區，只需在存儲器上設置每個(gè)處理器的復位地址就可以。

　　3 系統軟硬件實(shí)現

　　SopcBuilder是Altera公司提供的一款圖形化系統設計實(shí)現工具，內嵌于Quartus II軟件中。利用SopcBuilder實(shí)現的雙核系統如圖4所示，包括了兩個(gè)Nios II軟核處理器以及其他內外設，連接關(guān)系表現了系統組件如何通過(guò)Avalon總線(xiàn)構成一個(gè)可以工作的系統。系統配置對每個(gè)系統組件分配了基地址，以實(shí)現Avalon總線(xiàn)對組件的訪(fǎng)問(wèn)。

　　對于利用SopcBuilder生成的雙核系統，通過(guò)JTAG接口下載配置到Altera的FPGA開(kāi)發(fā)板上，然后在Nios II IDE中調用HAL API函數開(kāi)發(fā)C 語(yǔ)言應用程序就可以在FPGA開(kāi)發(fā)板上運行，以此來(lái)驗證所設計的多核系統是否能夠正確運行。本文利用Altera公司提供的例程hello_world_multi，再將其修改后，各個(gè)處理器通過(guò)交替獲得Mutex的所有權，執行相同的程序，并將處理數據存儲在片上共享存儲器上，最終通過(guò)CPU_1的JTAG_Uart打印到Nios II IDE終端。圖5為驗證程序的運行結果在Nios II IDE輸出窗口的打印，可以看出，兩個(gè)核都能通過(guò)Mutex獲得外設的控制權，表明系統配置成功且能正確運行。

　　結語(yǔ)

　　本文根據SOPC技術(shù)利用Quartus的SopcBuilder構建硬件平臺，利用Nios II IDE運行軟件程序，實(shí)驗結果表明：軟硬件設計正確，系統能正常運行。同時(shí)，本設計為雙核以上的多核系統的設計提供了理論基礎。