雙MicroBlaze軟核處理器的SOPC系統(tǒng)設計
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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?
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