多處理器系統(tǒng)中Nios II軟核處理器啟動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

摘  要：首先分析研究Nios II軟核處理器系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，然后在多處理器系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一Nios II 的啟動(dòng)方案，此方案通過(guò)外部CPU控制Nios II處理器系統(tǒng)的啟動(dòng)。

關(guān)鍵詞：Nios II；系統(tǒng)啟動(dòng)；多處理器系統(tǒng)；SOPC

引言

　　Nios II 處理器是Altera公司設(shè)計(jì)的一款基于FPGA的32位RISC嵌入式軟核處理器，具有32位指令集、數(shù)據(jù)通路及地址空間，是其可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）的核心。Nios II系統(tǒng)采用Altera公司設(shè)計(jì)的一套Avalon總線(xiàn)交換結(jié)構(gòu)，Avalon總線(xiàn)上的所有信號(hào)都與系統(tǒng)時(shí)鐘同步且地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)使用獨(dú)立的端口；支持各種傳輸方式；采用從端口仲裁機(jī)制，對(duì)于有多個(gè)主設(shè)備的系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量。

　　采用基于FPGA 的Nios II軟核處理器很容易在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)。在這樣的多處理器系統(tǒng)中，一般外部處理器做主處理器，Nios II處理器為從處理器，兩個(gè)處理器有共用的存儲(chǔ)器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文將通過(guò)對(duì)Nios II系統(tǒng)啟動(dòng)的研究設(shè)計(jì)一方案，用外部處理器配置FPGA,加載程序代碼到Nios II系統(tǒng)中的程序存儲(chǔ)器中，最終完成Nios II系統(tǒng)的啟動(dòng)。 

在多處理器系統(tǒng)的啟動(dòng)方案

　　在多處理器系統(tǒng)中，為了降低成本，可以省去Nios II的一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器外設(shè)，如flash、EPROM等，Nios II處理器通過(guò)Avalon交換結(jié)構(gòu)連接易失性存儲(chǔ)器，一個(gè)外部主處理器及一些必要的接口外設(shè)。因此延遲Nios II的啟動(dòng)是必要的，解決辦法是在Nios II系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一啟動(dòng)延遲模塊，把此模塊的基址設(shè)為Nios II的復(fù)位地址。通過(guò)此模塊，Nios II處理器上電復(fù)位后啟動(dòng)被延遲，直到數(shù)據(jù)被傳輸完畢，外部處理器通過(guò)啟動(dòng)延遲模塊向Nios II發(fā)送一個(gè)可以開(kāi)始進(jìn)入程序存儲(chǔ)器的指令，然后跳轉(zhuǎn)到程序存儲(chǔ)器開(kāi)始執(zhí)行，完成后續(xù)的設(shè)備初始化及應(yīng)用程序的執(zhí)行。

　　外部處理器通過(guò)時(shí)序轉(zhuǎn)接橋連接在Avalon交換結(jié)構(gòu)上和Nios II處理器共同構(gòu)成的一個(gè)雙處理器系統(tǒng)如圖1所示。黑色箭頭表示Nios II啟動(dòng)延遲模塊是通過(guò)Avalon交換結(jié)構(gòu)連接的。

圖1  多處理器系統(tǒng)的啟動(dòng)方案結(jié)構(gòu)

啟動(dòng)方案的硬件設(shè)計(jì)

　　啟動(dòng)延遲模塊如圖2所示，它有兩個(gè)從端口S1、S2：S1一端連接在啟動(dòng)延遲模塊中的ROM單元上，另一端通過(guò)Avalon總線(xiàn)連接在Nios II處理器的指令主端口；S2一端連接在啟動(dòng)延遲模塊的控制寄存器上，另一端通過(guò)Avalon總線(xiàn)連接在外部處理器和Nios II處理器的數(shù)據(jù)主端口。圖2中箭頭的方向表示數(shù)據(jù)的流向。

圖2 Nios II啟動(dòng)模塊的硬件結(jié)構(gòu)
 

　　在此需做兩點(diǎn)說(shuō)明：
 

　　* 在啟動(dòng)延遲模塊中有兩個(gè)寄存器，這兩個(gè)寄存器定義如下：
 

表1 寄存器定義
 

寄存器名
 

字節(jié)偏移量
 

讀寫(xiě)狀態(tài)
 

長(zhǎng)度
 

說(shuō)明
 

控制寄存器1
 

0
 

可讀可寫(xiě)
 

32位
 

用于存放Nios II程序存儲(chǔ)器中_start程序的入口地址
 

控制寄存器2
 

4
 

可讀可寫(xiě)
 

32位
 

 跳轉(zhuǎn)標(biāo)志位（31_1位保留）
 

　　這兩個(gè)寄存器值由外部處理器來(lái)寫(xiě)入，其中偏移量為0的寄存器存放Nios II程序存儲(chǔ)器中_start程序的入口地址，此值由外部處理器寫(xiě)入；偏移量為1的寄存器只用了第0位，其它位保留，當(dāng)外部處理器配置好Nios II處理器系統(tǒng)后，會(huì)向此寄存器的第0位寫(xiě)入1，否則保持為0。
 

　　* ROM中的數(shù)據(jù)是外部處理器在配置FPGA的時(shí)候?qū)懭氲?，因此只要FPGA配置完成后，啟動(dòng)代碼就存放進(jìn)ROM中了。ROM的大小要根據(jù)啟動(dòng)程序代碼的大小來(lái)決定，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能降低這段程序的代碼存儲(chǔ)量。
 

　　下邊是用Verilog 硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)的啟動(dòng)延遲模塊的硬件代碼的主體框架結(jié)構(gòu)：
 

　／／ＲＯＭ讀端口（Ｓ１）：
 

boot_rom       the_boot_rom
 

        (
 

        .clock    (s1_clk),　　　//s1_clk為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S1端口的時(shí)鐘信號(hào)
 

             .aclr    (s1_reset),　 //s1_reset為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S1端口的復(fù)位信號(hào)
 

        .q       (s1_readdata),　//s1_readdata為流向Avalon總線(xiàn)模塊的S1端口的32位數(shù)據(jù)
 

　　.address  (s1_address)　　//s1_address為來(lái)自于Avalon總線(xiàn)模塊的S1端口的地址
 

         );
 

　　　　//控制寄存器讀寫(xiě)端口（S2）：
 

      control_register   the control_register
 

      (
 

         .clk         (s2_clk),　　//s2_clk為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的時(shí)鐘信號(hào)
 

.reset       (s2_reset), 　//s2_reset為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的復(fù)位信號(hào)
 

           .read        (s2_read), 　//s2_read為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的讀使能信號(hào)
 

.write       (s2_write), 　//s2_write為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的寫(xiě)使能信號(hào)
 

         .schipselect  (s2_chipselect), //s2_chipselect為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的片選信號(hào)
 

         .address     (s2_address),　//s2_address為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的地址　
 

         .readdata    (s_readdata),　 //s2_chipselect為流向Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的32位讀數(shù)據(jù)
 

.writedata   (s2_writedata)　//s2_writedata為來(lái)自Avalon總線(xiàn)模塊上的S2端口的32位寫(xiě)數(shù)據(jù)
 

        );
 

啟動(dòng)方案的軟件設(shè)計(jì)

　　啟動(dòng)方案的軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)是當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，在外部處理器向Nios II程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，Nios II處理器運(yùn)行要受到外部處理器的控制。當(dāng)一切就緒后，外部處理器發(fā)出一條釋放Nios II處理器的命令，接下來(lái)Nios II處理器就可以正常運(yùn)行了。

　　軟件部分主要就是存放在啟動(dòng)延遲模塊中ROM的代碼，此代碼主要是檢測(cè)啟動(dòng)延遲模塊中控制寄存器2的第0位是否為1。若為1，則跳轉(zhuǎn)到控制寄存器1中所存儲(chǔ)的地址處執(zhí)行。若設(shè)控制寄存器的基址為CONTROL_REG_BASE，為了減少代碼量，這段代碼容易用Nios II的匯編指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼部分在此從略。 

　　最后本方案在我們自己設(shè)計(jì)的一塊開(kāi)發(fā)板上經(jīng)過(guò)測(cè)試，能夠正確完成Nios II 處理器的啟動(dòng)。 

結(jié)語(yǔ)

　　采用多處理器的系統(tǒng)雖然可以提高系統(tǒng)的性能，但傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)一般只出現(xiàn)在工作站及高端PC上，在嵌入式系統(tǒng)中由于其設(shè)計(jì)代價(jià)太高很少采用。本文設(shè)計(jì)了一種在多處理器系統(tǒng)中的Nios II軟核處理器的啟動(dòng)方案，這個(gè)方案在外部處理器向Nios II的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器加載數(shù)據(jù)時(shí)，可以控制Nios　II處理器的啟動(dòng)。 

參考文獻(xiàn)：

1.  Creating Multiprocessor Nios II Systems Tutorial.2005