基于Nios II軟核的多核處理器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        摘要：本文設(shè)計了一個基于FPGA解決方案的多核處理器系統(tǒng)，整體上提高了系統(tǒng)性能，解決了單核處理能力提升受到的制約。通過對多核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和核間通信技術(shù)的研究，最終實現(xiàn)了一個利用互斥核實現(xiàn)資源共享的雙Nios II軟核處理器系統(tǒng)，并在Altera公司的FPGA開發(fā)板DE2上進行測試，測試結(jié)果表明所設(shè)計的雙核系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

　　引言

　　多核處理器技術(shù)的研究源于工程師們認(rèn)識到，在提高單核芯片速度的同時，會產(chǎn)生過多熱量卻無法帶來相應(yīng)的性能改善，傳統(tǒng)的以提高主頻提升性能的方法，會使處理器散發(fā)出巨大的熱量，其性價比也令人難以接受，速度稍快的處理器價格更高。因此多核芯片應(yīng)運而生，2001年IBM公司推出第一個商用的雙核RISC(精簡指令集計算機)處理器Power4。

　　目前關(guān)于多核技術(shù)的研究主要包括核結(jié)構(gòu)研究(同構(gòu)還是異構(gòu))、程序執(zhí)行模型、Cache設(shè)計(多級Cache設(shè)計與一致性問題)、核間通信技術(shù)、總線設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計(任務(wù)調(diào)度、中斷處理、同步互斥)、低功耗設(shè)計、存儲器墻、可靠性及安全性設(shè)計。本文利用互斥核和共享存儲器等技術(shù)實現(xiàn)多核系統(tǒng)共享資源的訪問，使用Quartus II的Sopc Builder構(gòu)建一個雙NiosII軟核處理器系統(tǒng)，最終在Altera的FPGA開發(fā)板DE2上驗證了該系統(tǒng)的正確性。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　與單核處理器系統(tǒng)的設(shè)計所不同，在設(shè)計雙核系統(tǒng)時有若干問題需要重新考慮：如何實現(xiàn)多處理器核之間的數(shù)據(jù)共享;在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享之后，雙核系統(tǒng)必須提供有效的機制，以防止共享數(shù)據(jù)被破壞;為了提升整個系統(tǒng)的效率，必須仔細(xì)考慮系統(tǒng)任務(wù)的分配和調(diào)度如何進行，以免出現(xiàn)進程沖突或進程閑置，從而影響系統(tǒng)的整體性能。

　　圖1顯示了雙Nios II 嵌入式處理器核系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中有兩個Nios II處理器核，CPU1作為主要CPU用來負(fù)責(zé)控制和調(diào)度整個系統(tǒng)，CPU2作為從處理器用來負(fù)責(zé)具體任務(wù)的執(zhí)行。其次，每個處理器都有獨立的定時器作為看門狗使用，以防止處理器進入異常或死循環(huán)。此外，連接到CPU1的JTAG-UART接口，用于系統(tǒng)的各項測試。片上RAM作為共享存儲器連接到兩個處理器，提供處理數(shù)據(jù)的共享。而與CPU2相連的UART負(fù)責(zé)將處理結(jié)果傳遞到PC主機上顯示。

　　2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

　　2.1 硬件設(shè)計

　　在雙核系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)并行處理應(yīng)用程序的任務(wù)，系統(tǒng)必須為雙核提供有效的數(shù)據(jù)處理和信息進程的共享機制。為此，本設(shè)計為系統(tǒng)配置了兩種存儲器的共享：一種處理器用來實現(xiàn)處理器之間狀態(tài)的溝通，另一種用來實現(xiàn)處理數(shù)據(jù)的共享。此外由于兩個處理器都會對共享數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫操作，這樣就會產(chǎn)生一個問題：在不破壞存儲器中數(shù)據(jù)的同時，如何確保系統(tǒng)正確地進行讀寫操作。因此硬件互斥核Mutex被嵌入雙核處理器系統(tǒng)中。Mutex可以確保雙核系統(tǒng)中只能有一個處理器來訪問共享數(shù)據(jù)存儲器。

　　Mutex核實質(zhì)上是一種共享資源，提供“測試和設(shè)置”操作。當(dāng)處理器測試到Mutex核可用時，就會在一個具體操作中暫時占有Mutex核，之后當(dāng)處理器完成對存儲器的讀寫操作時就會釋放Mutex核，具體過程如圖2所示。對共享存儲器的互斥訪問是通過Mutex核的API函數(shù)來實現(xiàn)的：

　　Altera_avalon_mutex_open()

　　功能：聲明一個Mutex句柄，允許所有其他函數(shù)訪問Mutex核。

　　Altera_avalon_mutex_trylock()

　　功能：試圖鎖定Mutex核，若失敗則立刻返回。

　　Altera_avalon_mutex_lock()

　　功能：鎖定Mutex核，直到成功聲明Mutex核才返回。

　　Altera_avalon_mutex_unlock()

　　功能：解鎖Mutex核

　　Altera_avalon_mutex_is_mine()

　　功能：判斷CPU是否擁有Mutex核

　　Altera_avalon_mutex_first_lock()

　　功能：測試復(fù)位后Mutex核是否被釋放。