雙MicroBlaze軟核處理器的SOPC系統(tǒng)設(shè)計
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1．2．3 處理器之間的通信與同步
在Xilinx SOPC系統(tǒng)設(shè)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(gòu)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(guān)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(shè)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(shè)置。
②復(fù)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(yīng)的Mutex寄存器中，從而獲得Mutex的使用權(quán)，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(shè)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(dǎo))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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(yīng)用設(shè)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(fù)位*／
dow executable．elf ／*下載ELF文件*／run ／*運行*／
2 實驗結(jié)果
本設(shè)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(jié)果。
2．1 Mailbox的測試結(jié)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(fù)發(fā)送。
2．2 Mutex的測試結(jié)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(jié)果正確可用，不會出現(xiàn)混亂的狀態(tài)。
2．3 Shared Memory的測試結(jié)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(shè)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(shè)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(fù)這樣的過程，直到達到所設(shè)置的最大數(shù)目12。
結(jié)語
本文以MieroBlaze軟核為基礎(chǔ)，利用XPS作平臺來設(shè)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(shè)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(shè)計和操作系統(tǒng)移植。
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