基于PowerPC405的Xilkernel內核實(shí)現多任務(wù)操作

　　引言

　　集成在Virtex-II Pro器件中的PowerPC405，是一個(gè)32位RISC硬核，它支持CoreConnect總線(xiàn)的標準外設集合。使用CoreConnect總線(xiàn)，可以方便地控制多個(gè)外設。在EDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，對于多個(gè)外設，每個(gè)外設都有對應的任務(wù)。PowerPC405默認的嵌入式內核是standalone，在其上開(kāi)發(fā)的多個(gè)任務(wù)是宏觀(guān)串行執行的，只有利用參數傳遞或全局參變量來(lái)建立各任務(wù)間的關(guān)系。在很多情況下，系統需要多個(gè)任務(wù)系統宏觀(guān)并行執行，使用standalone顯然是不合適的。而通過(guò)把嵌入的standalone內核改變?yōu)镋DK自帶的Xilkernel內核，適當地改變軟件平臺設置的內容，就可以實(shí)現多個(gè)任務(wù)的并行執行。Xilkernel也支持多任務(wù)間通訊和中斷。根據各種通訊方式，也可以建立各個(gè)任務(wù)之間的聯(lián)系；通過(guò)中斷，處理器可以及時(shí)響應外設產(chǎn)生的事件。

　　硬件系統結構

　　如圖1所示，PowerPC405使用FPGA外部的存儲單元，使用CoreConnect總線(xiàn)和外圍接口。CoreConnect總線(xiàn)的標準外設集合可以重復使用，使系統整合變的更加容易。

　　CoreConnect總線(xiàn)結構

　　PLB總線(xiàn)接口：用于PowerPC405內核與高性能設備的連接。PLB接口包括ISPLB接口和DSPLB接口兩種。其中，ISPLB接口用于外設與PowerPC405指令緩沖的連接，DSPLB接口用于外設與PowerPC405數據緩沖的連接。

　　OPB總線(xiàn)接口：片上外設總線(xiàn)，內核通過(guò)OPB來(lái)訪(fǎng)問(wèn)低速和低性能的系統資源。它不是直接連接到處理器內核。處理器內核借助于“PLB to OPB”橋，通過(guò)OPB訪(fǎng)問(wèn)從外設；OPB總線(xiàn)控制器的外設可以借助“OPB to PLB”橋，通過(guò)PLB訪(fǎng)問(wèn)存儲器。

　　硬件平臺構件

　　在EDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，由用戶(hù)向導生成MHS文件，用戶(hù)也可以根據MHS文件的語(yǔ)法添加自定義的外設。MHS文件用于描述硬件體系結構，其主要包括平臺的處理器類(lèi)型、總線(xiàn)結構、外圍接口、中斷處理和地址空間。

　　EDK工具platGen使用MHS文件作為輸入來(lái)創(chuàng )建硬件平臺，它創(chuàng )建不同形式的網(wǎng)表文件(NGC，EDIF)，下游工具的支持文件和頂級HDL包裝以允許用戶(hù)添加其他的組件到硬件平臺。

　　軟件系統結構

　　在EDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，MSS文件用于描述軟件體系結構，其主要定義了平臺的內核、軟件庫、驅動(dòng)程序和文件系統的參數。

　　EDK工具libGen使用MSS文件作為輸入，定制驅動(dòng)、庫、文件系統和中斷處理程序。

　　Xilkernel模塊結構

　　Xilkernel模塊結構如圖2所示，Xilkernel提供與內核的POSIX接口。但并不是每一個(gè)通過(guò)POSIX定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個(gè)精細選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持POSIX線(xiàn)程、POSIX無(wú)名信號量、XSI消息隊列、POSIX互斥鎖、中斷處理等。

　　Xilkernel的軟件平臺配置

　　Xilkernel已經(jīng)被設計為可以和EDK軟件和硬件流緊密共同工作，完全被整合在軟件平臺配置和自動(dòng)的庫、板級支持包產(chǎn)生機制之中。在軟件配置平臺，可以對Xilkernel支持的功能進(jìn)行配置，下面介紹一些主要的配置：

　　a、指定系統定時(shí)器的頻率值和時(shí)間片間隔。

　　b、指定系統可以運行的線(xiàn)程數量、任務(wù)調度方式(這里我們設置為優(yōu)先級搶占方式，以保證重要的突發(fā)事件及時(shí)得到處理)和系統中斷控制器。

　　c、配置系統的通訊方式，可以通過(guò)這些開(kāi)關(guān)來(lái)確定系統需要的通訊方式，并可以確定各個(gè)通訊方式的參數。包括消息隊列、信號量等。

　　d、指定系統的靜態(tài)任務(wù)，也就是完全進(jìn)入內核后執行的第一個(gè)任務(wù)，可以在這個(gè)任務(wù)里產(chǎn)生和設置系統需要的其它任務(wù)。

　　e、一些增強系統功能的設置等等。

　　主要任務(wù)間的通訊方式和中斷

　　必需的配置

　　首先要生成連接腳本，是通過(guò)硬件需要生成的，此腳本反映了Xilkernel需要的不同的段存儲器。比如.vectors段被分配于一個(gè)有64KB地址邊界的存儲器的開(kāi)始，而.boot段在0xFFFFFFFC處。其余的代碼和數據存儲器可以放在任何地方。

　　其次，Xilkernel是作為一個(gè)庫來(lái)架構的。這意味著(zhù)應用程序源文件僅需要連接X(jué)ilkernel，就能夠訪(fǎng)問(wèn)Xilkernel的功能。這些需要設置編譯器的庫連接選項為xilkernel，并在用戶(hù)代碼中包含“xmk.h”文件。應用程序提供main()入口，然后通過(guò)調用xilkernel_main()作為內核的入口點(diǎn)。產(chǎn)生庫、BSP并編譯程序后，Xilkernel將自動(dòng)作為系統啟動(dòng)、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的內核入口代碼：

　　#include "xmk.h"
　　/* 定義和聲明 */
　　int main()
　　{
　　/* 用戶(hù)完成預處理，不允許調用內核接口 */
　　xilkernel_main ();    /* 開(kāi)始內核 */
　　/* 程序不會(huì )執行到這里 */
　　}
　　/* 系統的靜態(tài)任務(wù) */
　　Void * first_thread ()
　　{
　　/* 產(chǎn)生一些線(xiàn)程來(lái)處理用戶(hù)需要 */
　　}

　　線(xiàn)程的創(chuàng )建

　　線(xiàn)程的創(chuàng )建及屬性的簡(jiǎn)單設置可以由下面幾個(gè)函數實(shí)現：

　　int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr)
　　int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr, struct sched_param *schedpar)
    int pthread_create (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr, void* (*start_func)(void*),void* param)
　　pthread_attr_init()初始化線(xiàn)程的屬性。thread_attr_setschedparam()來(lái)設置線(xiàn)程的優(yōu)先級，attr是線(xiàn)程的屬性，schedpar是包含有線(xiàn)程優(yōu)先級的數據結構。pthread_create()創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程，thread表明線(xiàn)程ID，attr指出線(xiàn)程屬性，start_func函數指針是線(xiàn)程創(chuàng )建成功后開(kāi)始執行的函數，param是這個(gè)函數的一個(gè)唯一的參數。

　　在靜態(tài)任務(wù)中調用這些函數來(lái)產(chǎn)生一些有優(yōu)先級的任務(wù)。如下例：
　　static pthread_t tid0,tid1;
　　static pthread_attr_t attr;
　　static struct sched_param prio;
　　void * first_thread () {   ......
    　　 pthread_attr_init(&attr);
     　　prio.sched_priority = 4;
    　　pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio);
     　　ret = pthread_create (&tid0, &attr, (void*)important_task, NULL);
     　　pthread_attr_init (&attr);
     　　prio.sched_priority = 5;
     　　pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio);
     　　ret = pthread_create (&tid1, &attr, (void*)second_important_task, NULL);
        　　......
　　}

 這樣，系統會(huì )發(fā)起important_task和second_important_task兩個(gè)任務(wù)，important_task的優(yōu)先級比second_important_task高，會(huì )優(yōu)先運行。除非important_task任務(wù)阻塞或退出，second_important_task才可能得到運行。
POSIX無(wú)名信號量

　　信號量提供高速的任務(wù)間同步和互斥機制。對于互斥，信號量可以上鎖共享資源，使得該共享資源在同一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程所擁有。關(guān)于此信號量的一些常用函數如下：

　　int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
　　int sem_wait(sem_t *sem);
　　int sem_post(sem_t *sem);
　　sem_init()創(chuàng )建一個(gè)信號量，并初始化信號量的值為value；sem_wait()調用將阻塞進(jìn)程，直到信號量的值大于0，此函數返回時(shí)信號量的值減1；sem_post()是將信號量的值加1，并發(fā)出信號喚醒等待的進(jìn)程。

　　信號量用于同步，一般要初始化為0，等待要同步的任務(wù)阻塞在sem_wait()調用上。任務(wù)調用sem_post來(lái)解鎖該信號量，來(lái)達到同步。下面一個(gè)例子是用信號量實(shí)現同步操作的：

　　static sem_t    protect;
　　void * first_thread (){   ......
 　　sem_init(&protect, 1, 0);
        　　......
　　}
 　　void* thread_func1 (){ ......
     　　while(1){
  　　sem_wait(&protect);
   　　......
     　　}
　　}
　　void* thread_func2 (){ ......
     　　while(1){......
  　　if(某種條件成立)sem_post(&protect);
     　　}
　　}

　　當信號量用于互斥時(shí)，一般要初始化為一個(gè)大于0的值，就可以讓資源可用。如果信號量的初始值為1，第一個(gè)上鎖該信號量的線(xiàn)程會(huì )立即執行，后繼的線(xiàn)程將會(huì )阻塞，直到下次信號量解鎖才會(huì )執行。

　　XSI消息隊列

　　消息隊列允許長(cháng)度可變、數目可變的消息排隊。任何任務(wù)或中斷服務(wù)程序可以發(fā)送消息到消息隊列。任何任務(wù)可從消息隊列接收消息。關(guān)于此消息隊列的一些常用函數如下：

 　　int msgget(key_t key, int msgflg)
　　int msgsnd (int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
　　ssize_t msgrcv (int msqid, void *msgp, size_t nbytes, long msgtyp, int msgflg)
 　　msgget()來(lái)創(chuàng )建一個(gè)消息隊列，key是消息隊列的標識符，msgflag目前有兩個(gè)選項，IPC_CREAT和IPC_EXCL。msgsnd()函數往隊列發(fā)送一條消息，msgp是消息緩沖指向的指針，msgsz表示消息的字節數。msgrcv ()函數作用是從消息隊列中讀取消息，把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區，nbytes表示緩沖支持的消息字節數。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊列描述符，用來(lái)標識相關(guān)的消息隊列。下面是消息隊列單向通信的簡(jiǎn)單代碼：

　　struct _msg {
  　　short type;
  　　char  first;
　  　　char  last;
　　};
　　static struct _msg msg_p;
　　static struct _msg msg_c;
　　static int msgid;
　　void * first_thread (){   ......
 　　msgid = msgget(5,IPC_CREAT | IPC_EXCL);
        　　......
　　}
　　void* consumer ()
　　{
 　　while(1) {
  　　msgrcv( msgid, &msg_c, 4, 0,0 );
  　　......
 　　}
　　}
　　void* producer ()
　　{
 　　while(1) {......
  　　msgsnd (msgid, &msg_p, 4, 0);
 　　}
　　}

　　在例子開(kāi)始，建立消息的數據結構。在producer()中操作消息的各項數據，通過(guò)msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中，如果消息隊列里沒(méi)有消息，則msgsnd()阻塞此線(xiàn)程，直到消息隊列非空時(shí)，msgsnd()才把消息復制到msg_p指向的數據結構中，此時(shí)此線(xiàn)程開(kāi)始執行，并可以對接收到的消息進(jìn)行處理。

　　中斷

　　Xilkernel已經(jīng)被設計為可以和多個(gè)中斷設備共同工作，用戶(hù)用opb_intc IP核作為中斷控制器來(lái)處理硬件中斷。Xilkernel僅支持一個(gè)中斷控制器來(lái)連接PPC405的外部中斷引腳，而且不支持中斷控制器連接臨界的中斷。對于中斷程序設計，Xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。

　　在xilkernel_main()中已經(jīng)完成了初始化PowerPC405的中斷表，并能使了中斷控制器連接在處理器上的非臨界的中斷。下面是摘抄xilkernel_main()內部執行相關(guān)代碼：

 　　XExc_Init();     /*初始化PowerPC405的中斷表*/
 　　XExc_mEnableExceptions (XEXC_NON_CRITICAL);    /*能使非臨界中斷*/
　　下面是開(kāi)發(fā)應用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開(kāi)始接收中斷；其次，把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上；再就是注冊此非臨界中斷；最后能使此中斷。下面是一個(gè)串口中斷接收的簡(jiǎn)單代碼：

 　　void * first_thread (){......
　　XIntc_mMasterEnable(XPAR_ MYINTC_BASEADDR);
 　　XIntc_mEnableIntr(XPAR_ MYINTC_BASEADDR,  XPAR_MYUART_INTERRUPT_MASK);
　　XIntc_RegisterHandler(XPAR_ MYINTC_BASEADDR,  XPAR_MYUART_INTERRUPT_INTR,
　　(XInterruptHandler)uart_int_ handler,(void *)XPAR_MYINTC_BASEADDR);
 　　XUartLite_mEnableIntr (XPAR_MYUART _BASEADDR);
　　......
　　}
　　void uart_int_handler(void *baseaddr_p) {/* 中斷處理程序 */ while(!XUartLite_mIsReceiveEmpty (XPAR_MYUART_BASEADDR)) {
   　　ch = XUartLite_RecvByte( XPAR_MYUART_BASEADDR);
   　　......
  　　}
　　}

　　一個(gè)中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應該盡量短，如果中斷處理程序不能完全處理此事件，可以由信號量同步發(fā)起一個(gè)任務(wù)來(lái)處理本事件。

　　結語(yǔ)

　　Xilinx公司的Vritex-II Pro實(shí)現了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設計平臺，其出眾的性能受到高端應用的青睞。在此平臺上利用　　Xilkernel嵌入式操作系統，為嵌入式應用開(kāi)發(fā)提供了極大的系統結構靈活性。本文僅介紹了幾種常用的基于Xilkernel的嵌入式應用程序設計方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時(shí)器等實(shí)現其它的功能。讀者也可以根據嵌入式開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗和Xilkernel的強大功能，構建復雜的FPGA嵌入式系統?！?/p>

　　參考文獻：

　　1.  Xilinx. Embedded System Tools Guide. EDK (v6.3i). 2004。

　　2.  Xilinx. EDK OS and Libraries Reference Manual. EDK (v6.3i).2004。

　　3.  任曉東，文博. CPLD/FPGA高級應用開(kāi)發(fā)指南.電子工業(yè)出版社. 2003。

　　4.  王磊.32 位軟處理器MicroBlaze的體系結構及其應用.今日電子. 2004。