基于MicroBlaze軟核的SOPC系統(tǒng)設計

摘要：設計了一款基于雙MicroBlaze軟核處理器、面向嵌入式領域的SOPC系統(tǒng)，在信息處理繁忙的情況下，實現(xiàn)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(tǒng)靈活性，降低設備尺寸。兩處理器之間通過Mutex模塊實現(xiàn)同步功能，通過Mailbox模塊實現(xiàn)通信和中斷功能，通過共享BRAM模塊實現(xiàn)大塊通信功能，并進行了有效的功能驗證。該SOPC系統(tǒng)在XUPV5-LX110T開發(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現(xiàn)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。

關鍵詞：MicroBlaze;雙核;SOPC;Mutex;Mailbox;BRAM

引言

隨著時代的發(fā)展，單核片上可編程系統(tǒng)SOPC(Systern On a Programmable Chip)解決復雜問題的能力與處理速度已很難滿足用戶的需求，面向多處理器SOPC系統(tǒng)的設計成為片上系統(tǒng)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(xiàn)使得高性能片上多處理器的設計成為現(xiàn)實。目前，片上多核系統(tǒng)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一步的研究。本文在處理器間通信和中斷控制方面進行了深入的研究。

MicroBlaze是一個被優(yōu)化過的可以在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(tǒng)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，廣泛應用于通信、高端消費市場等領域。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(shù)據(jù)總線位寬均為32位。本文MicroBlaze處理器采用面積優(yōu)化，流水線分為3級，即取指、譯碼和執(zhí)行，減少了硬件開銷。

1 系統(tǒng)設計

1.1 雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結構

雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結構圖如圖1所示。從圖1中可知，整個SOPC系統(tǒng)可以分為兩個處理器子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩個PLB(Processor Local Bus)v46總線作為系統(tǒng)的通信結構，所有的模塊都是直接或間接地連接到這兩個總線上。兩個總線上均掛有用于處理器間通信和同步的核，即Mailbox和Mutex，因此兩個處理器并不是完全獨立的。表1列出了SOPC系統(tǒng)包含的主要模塊。

表1中的BRAM有兩種用途：一是作為單個處理器的私有存儲器用來存儲指令和數(shù)據(jù)，它通過存儲器局部總線LMB與處理器相連;二是作為兩個處理器之間的共享存儲器(Shared Memory)用作通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。它所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比Mailbox大很多，特別是在傳輸信息量大于千字節(jié)時，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(tǒng)的整體結構不僅和處理器的數(shù)目有關，還和系統(tǒng)中模塊的配置及功能有關，外部存儲器和外圍設備的不同配置都會影響系統(tǒng)的結構和功能。具體如下：

①SOPC系統(tǒng)通過各自獨立的PLBv46總線隔離兩處理器子系統(tǒng)，可以確保兩個處理器系統(tǒng)在執(zhí)行各自的處理器事務時不會相互干擾。

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處理器在訪問共享模塊時可以并行進行。

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

④此SOPC系統(tǒng)中有兩個MicroBlaze處理器軟核，其中任何一個MicroBlaze都可以靈活地被其他類型的處理器所代替，比如PowerPC，因此處理器的選擇是非常靈活的。

⑤兩個處理器可以共享互斥訪問設備，比如串口UART、串行外設接口SPI(Serial Periphieral Interface)等，這種情況需要在沒有直接連接此外設的總線和直接連接此外設的總線之間提供一個系統(tǒng)總線橋。

⑥關鍵的外圍設備是外部存儲控制器MPMC，它最多提供8個端口，可以通過XCL(Xilinx Cache Link)連接處理器局部存儲器(BRAM)，通過PLBv46總線連接到系統(tǒng)中，因此，可以將1～4個處理器同時連接到MPMC控制器上。

⑦兩個處理器之間的Mailbox和Mutex有簡單通信的功能，主要體現(xiàn)在處理器之間的通信和同步上。

1.2.2 存儲器映像

當程序沒有被加載或者運行的時候，它以文件的形式存放在硬盤上。當它被下載到MPMC內(nèi)存中的時候，系統(tǒng)會自動從MPMC內(nèi)存中劃分出一段區(qū)域，用來將這個磁盤上的文件映射到內(nèi)存相應的位置上。此時這塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就是磁盤文件的一個拷貝。存儲器映像就是指和被加載的磁盤文件相對應的一塊內(nèi)存區(qū)域。由于MPMC存儲器和外圍設備是統(tǒng)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，當多個處理器共用一條總線時，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(tǒng)中，每一個處理器都有自己獨立的系統(tǒng)總線，因此，所有的存儲器和外圍設備與共享元素都是分開的。也就是說，不同總線上的相同外圍設備可以有相同的地址范圍。在每一個處理器子系統(tǒng)中，為了能夠運行可執(zhí)行文件，對存儲器映像有一些要求。每個處理器都必須將自己的可執(zhí)行文件加載到各自私有的MPMC地址空間中，可執(zhí)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本地存儲器接口(XCL)或者PLBv46總線接口連接起來。一旦私有存儲器與其他總線連接完畢，XPS的地址發(fā)生器會為每一個MieroBlaze處理器子系統(tǒng)(包括外圍設備和存儲器)生成適當?shù)刂贩秶拇鎯ζ饔诚瘛?/p>

1.2.3 處理器之間的通信與同步

在Xilinx SOPC系統(tǒng)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(diào)試模塊是MDM。

Shared Memory共有兩個通信端口，它通過存儲器控制端口分別連接到系統(tǒng)的兩條PLBy46總線上。系統(tǒng)通過處理器對Slhared Memory模塊進行讀寫操作完成通信。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，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也可以進行處理器之間的通信。關于Mailbox，有如下一些特征描述：

①Mailbox可以認為是處理器之間的類似于TCP/IP的一個簡單的通信協(xié)議。

②處理器之間通過Mailbox通信有同步和異步之分：同步主要體現(xiàn)在處理器之間的通信上，接收者實時地讀取Mailbox中的數(shù)據(jù);異步主要體現(xiàn)在處理器之間的中斷上，發(fā)送者通過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Mailbox核都有一個FIFO和一個雙端隊列，分別用來發(fā)送和接收信息，用戶可以根據(jù)自己的需要對它們的深度進行配置，主要通過分布式的RlAM或者BRAM來實現(xiàn)。

④Mailbox共有兩個端口分別連接到系統(tǒng)的兩個總線上來實現(xiàn)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(jié)的信息，發(fā)送者需要從本地或者外部存儲器拷貝整個信息到FIFO，然后，接收者同步地拷貝整個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，這些將會耗費掉處理器的一些時鐘周期。

⑥處理器間的中斷是指一個處理器去中斷另一個處理器的行為，通過Mailbox的異步通信來實現(xiàn)，處理器發(fā)送中斷就是往Mailbox里寫入一個信息，然后Mailbox通過中斷控制器對接收者產(chǎn)生一個中斷，接收者收到中斷以后會反饋給發(fā)送者，當Mailbox中沒有新的信息時，中斷為無效狀態(tài)。

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

①存儲器映像以后，Mutex寄存器的數(shù)量可配置這些寄存器中有分別存儲數(shù)據(jù)和處理器ID的區(qū)域，Mutex寄存器中的數(shù)據(jù)和ID分別通過Mutex進行測試和設置。

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

③處理器通過軟件賦值的方式將各自的處理器ID號寫入到相應的Mutex寄存器中，從而獲得Mutex的使用權，當兩個處理器同步訪問Mutex寄存器時，每個處理器都會讀取Mutex寄存器中的值，然后和自己的ID號進行比較，比較匹配的處理器才可訪問Mutex寄存器，修改其中的數(shù)據(jù)。

MicroBlaze核通過處理器調(diào)試口與MDM(Microprocessor Debug Module)調(diào)試模塊相連。調(diào)試模塊MDM可以調(diào)試系統(tǒng)中的每一個處理器。 MDM的特點如下：

①MDM的調(diào)試端口數(shù)目是可配置的，最多可以達到8個。

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

③MDM不會自動地調(diào)試每個處理器，用戶必須通過輸入調(diào)試命令來進行選擇性的調(diào)試。

1.3 軟件設計

1.3.1 存儲器映像

為了保證每個處理器在執(zhí)行軟件部分時不發(fā)生沖突，必須對其存儲器進行存儲器映像。圖2是存儲器映像圖。

從圖2中可以看出，用戶可以靈活地為兩個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，它可以實現(xiàn)MicroBlaze處理器隨時調(diào)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(jù)用戶的需求選擇。每個可執(zhí)行文件的存儲器映像地址都是通過編譯器來實現(xiàn)的，實現(xiàn)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(shù)如下：

SHM_WRITEAREA();/*向Shared Memory中寫數(shù)據(jù)*/

SHM_READAREA();/*從Shared Memory中讀數(shù)據(jù)*/

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

XMbox_WriteBloeking();/*向Mailbox中寫數(shù)據(jù)*/

XMbox_ReadBlocking();/*從Mailbox中讀數(shù)據(jù)*/

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

MLOCK(); /*使用之前LOCK*/

MUNLOCK();/*使用之后UNLOCK*/

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

debugconfig-reset_on_run disable/*下載時避免復位*/

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

2 實驗結果

本設計采用調(diào)試模塊分別對兩個處理器進行調(diào)試，通過超級終端輸出測試結果。

2.1 Mailbox的測試結果

通過Mailbox可以實現(xiàn)處理器之間的中斷和通信。兩處理器首先通過交換字符串“helo BOY”的形式匯合(rendezvous)，以此來證明兩個處理器的連接情況。在這里，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包為2 044字節(jié)，共發(fā)送了3個數(shù)據(jù)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(jié)，可以重復發(fā)送。

2.2 Mutex的測試結果

通過Mutex可以實現(xiàn)兩處理器的同步。當兩個MicroBlaze處理器訪問共享資源時，可以用Mutex核修改臨界區(qū)域里共享資源的值。臨界區(qū)域里的值是隨著處理器的訪問而更新的。在沒有輸出時處理器會鎖定Mutex核，有輸出時解鎖Mutex核。同步使得控制臺的輸出結果正確可用，不會出現(xiàn)混亂的狀態(tài)。

2.3 Shared Memory的測試結果

通過Shared Memory實現(xiàn)處理器之間的通信。處理器O首先向共享存儲器中寫入一個32位的數(shù)據(jù)并設置一個共享flag表明數(shù)據(jù)可用，等待處理器1讀取這個數(shù)據(jù)。然后，處理器1從共享存儲器中讀取處理器0寫入的數(shù)據(jù)并設置一個共享flag表明它已經(jīng)讀取了這個數(shù)據(jù)。雙處理器會重復這樣的過程，直到達到所設置的最大數(shù)目12。

結語

本文以MieroBlaze軟核為基礎，利用XPS作平臺來設計雙MieroBlaze處理器片上系統(tǒng)，此片上系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)兩軟核處理器間的通信和中斷功能，該系統(tǒng)在Xilinx公司的XUPV5-LX110T開發(fā)板上得到實現(xiàn)，在超級終端中得到驗證。本設計的優(yōu)點是把處理器核之間的通信、中斷、同步放在了同一系統(tǒng)中進行研究，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(tǒng)設計和操作系統(tǒng)移植。