基于PowerPC405的Xilkernel內(nèi)核實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作

摘要：Xilinx Virtex-II Pro是一類FPGA產(chǎn)品，內(nèi)嵌IBM的硬核PowerPC405。Xilkernel實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以工作在PowerPC405上。在工程中應(yīng)用XilKernel，對于處理系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)產(chǎn)生的事件，可以通過適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生和調(diào)度多個(gè)任務(wù)來完成。

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總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。使用CoreConnect總線，可以方便地控制多個(gè)外設(shè)。在EDK集成開發(fā)環(huán)境下，對于多個(gè)外設(shè)，每個(gè)外設(shè)都有對應(yīng)的任務(wù)。PowerPC405默認(rèn)的嵌入式內(nèi)核是standalone，在其上開發(fā)的多個(gè)任務(wù)是宏觀串行執(zhí)行的，只有利用參數(shù)傳遞或全局參變量來建立各任務(wù)間的關(guān)系。在很多情況下，系統(tǒng)需要多個(gè)任務(wù)系統(tǒng)宏觀并行執(zhí)行，使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內(nèi)核改變?yōu)镋DK自帶的Xilkernel內(nèi)核，適當(dāng)?shù)馗淖冘浖脚_設(shè)置的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行。Xilkernel也支持多任務(wù)間通訊和中斷。根據(jù)各種通訊方式，也可以建立各個(gè)任務(wù)之間的聯(lián)系；通過中斷，處理器可以及時(shí)響應(yīng)外設(shè)產(chǎn)生的事件。

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，PowerPC405使用FPGA外部的存儲單元，使用CoreConnect總線和外圍接口。CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合可以重復(fù)使用，使系統(tǒng)整合變的更加容易。

圖1  PowerPC405硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CoreConnect總線結(jié)構(gòu)
PLB總線接口：用于PowerPC405內(nèi)核與高性能設(shè)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(shè)與PowerPC405指令緩沖的連接，DSPLB接口用于外設(shè)與PowerPC405數(shù)據(jù)緩沖的連接。
OPB總線接口：片上外設(shè)總線，內(nèi)核通過OPB來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。它不是直接連接到處理器內(nèi)核。處理器內(nèi)核借助于“PLB to OPB”橋，通過OPB訪問從外設(shè)；OPB總線控制器的外設(shè)可以借助“OPB to PLB”橋，通過PLB訪問存儲器。

硬件平臺構(gòu)件
在EDK集成開發(fā)環(huán)境中，由用戶向?qū)蒑HS文件，用戶也可以根據(jù)MHS文件的語法添加自定義的外設(shè)。MHS文件用于描述硬件體系結(jié)構(gòu)，其主要包括平臺的處理器類型、總線結(jié)構(gòu)、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包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺。

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在EDK集成開發(fā)環(huán)境中，MSS文件用于描述軟件體系結(jié)構(gòu)，其主要定義了平臺的內(nèi)核、軟件庫、驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)的參數(shù)。

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

Xilkernel模塊結(jié)構(gòu)
Xilkernel模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，Xilkernel提供與內(nèi)核的POSIX接口。但并不是每一個(gè)通過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(xì)選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持POSIX線程、POSIX無名信號量、XSI消息隊(duì)列、POSIX互斥鎖、中斷處理等。

Xilkernel的軟件平臺配置
Xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)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(jī)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(tǒng)定時(shí)器的頻率值和時(shí)間片間隔。
b、指定系統(tǒng)可以運(yùn)行的線程數(shù)量、任務(wù)調(diào)度方式(這里我們設(shè)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(tǒng)中斷控制器。
c、配置系統(tǒng)的通訊方式，可以通過這些開關(guān)來確定系統(tǒng)需要的通訊方式，并可以確定各個(gè)通訊方式的參數(shù)。包括消息隊(duì)列、信號量等。
d、指定系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù)，也就是完全進(jìn)入內(nèi)核后執(zhí)行的第一個(gè)任務(wù)，可以在這個(gè)任務(wù)里產(chǎn)生和設(shè)置系統(tǒng)需要的其它任務(wù)。
e、一些增強(qiáng)系統(tǒng)功能的設(shè)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始，而.boot段在0xFFFFFFFC處。其余的代碼和數(shù)據(jù)存儲器可以放在任何地方。

圖2  Xilkernel模塊結(jié)構(gòu)

其次，Xilkernel是作為一個(gè)庫來架構(gòu)的。這意味著應(yīng)用程序源文件僅需要連接Xilkernel，就能夠訪問Xilkernel的功能。這些需要設(shè)置編譯器的庫連接選項(xiàng)為xilkernel，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應(yīng)用程序提供main()入口，然后通過調(diào)用xilkernel_main()作為內(nèi)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(tǒng)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)簡單的內(nèi)核入口代碼：
#include "xmk.h"
/* 定義和聲明 */
int main()
{
/* 用戶完成預(yù)處理，不允許調(diào)用內(nèi)核接口 */
xilkernel_main ();    /* 開始內(nèi)核 */
/* 程序不會執(zhí)行到這里 */
}
/* 系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù) */
Void * first_thread ()
{
/* 產(chǎn)生一些線程來處理用戶需要 */
}

線程的創(chuàng)建
線程的創(chuàng)建及屬性的簡單設(shè)置可以由下面幾個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：
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()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來設(shè)置線程的優(yōu)先級，attr是線程的屬性，schedpar是包含有線程優(yōu)先級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。pthread_create()創(chuàng)建一個(gè)線程，thread表明線程ID，attr指出線程屬性，start_func函數(shù)指針是線程創(chuàng)建成功后開始執(zhí)行的函數(shù)，param是這個(gè)函數(shù)的一個(gè)唯一的參數(shù)。
在靜態(tài)任務(wù)中調(diào)用這些函數(shù)來產(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(tǒng)會發(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，會優(yōu)先運(yùn)行。除非important_task任務(wù)阻塞或退出，second_important_task才可能得到運(yùn)行。

POSIX無名信號量
信號量提供高速的任務(wù)間同步和互斥機(jī)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)線程所擁有。關(guān)于此信號量的一些常用函數(shù)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(diào)用將阻塞進(jìn)程，直到信號量的值大于0，此函數(shù)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(diào)用上。任務(wù)調(diào)用sem_post來解鎖該信號量，來達(dá)到同步。下面一個(gè)例子是用信號量實(shí)現(xiàn)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(dāng)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)上鎖該信號量的線程會立即執(zhí)行，后繼的線程將會阻塞，直到下次信號量解鎖才會執(zhí)行。

XSI消息隊(duì)列
消息隊(duì)列允許長度可變、數(shù)目可變的消息排隊(duì)。任何任務(wù)或中斷服務(wù)程序可以發(fā)送消息到消息隊(duì)列。任何任務(wù)可從消息隊(duì)列接收消息。關(guān)于此消息隊(duì)列的一些常用函數(shù)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()來創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列，key是消息隊(duì)列的標(biāo)識符，msgflag目前有兩個(gè)選項(xiàng)，IPC_CREAT和IPC_EXCL。msgsnd()函數(shù)往隊(duì)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(jié)數(shù)。msgrcv ()函數(shù)作用是從消息隊(duì)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(qū)，nbytes表示緩沖支持的消息字節(jié)數(shù)。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊(duì)列描述符，用來標(biāo)識相關(guān)的消息隊(duì)列。下面是消息隊(duì)列單向通信的簡單代碼：
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);
 }
}
在例子開始，建立消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在producer()中操作消息的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中，如果消息隊(duì)列里沒有消息，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊(duì)列非空時(shí)，msgsnd()才把消息復(fù)制到msg_p指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，此時(shí)此線程開始執(zhí)行，并可以對接收到的消息進(jìn)行處理。

中斷
Xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)為可以和多個(gè)中斷設(shè)備共同工作，用戶用opb_intc IP核作為中斷控制器來處理硬件中斷。Xilkernel僅支持一個(gè)中斷控制器來連接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(shè)計(jì)，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(nèi)部執(zhí)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*/
下面是開發(fā)應(yīng)用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開始接收中斷；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(yīng)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)來處理本事件。

結(jié)語

Xilinx公司的Vritex-II Pro實(shí)現(xiàn)了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設(shè)計(jì)平臺，其出眾的性能受到高端應(yīng)用的青睞。在此平臺上利用Xilkernel嵌入式操作系統(tǒng)，為嵌入式應(yīng)用開發(fā)提供了極大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性。本文僅介紹了幾種常用的基于Xilkernel的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時(shí)器等實(shí)現(xiàn)其它的功能。讀者也可以根據(jù)嵌入式開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和Xilkernel的強(qiáng)大功能，構(gòu)建復(fù)雜的FPGA嵌入式系統(tǒng)。■