基于Nios Ⅱ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)研究

　　0 引言

　　基于SoPC 技術(shù)開發(fā)的嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)具有可自主設(shè)計(jì)，重構(gòu)性好，軟硬件裁剪容易，系統(tǒng)擴(kuò)充升級(jí)方便，能兼顧性能、體積、功耗、成本、可靠性等方面的要求。研發(fā)嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)，是提高嵌入式系統(tǒng)性價(jià)比和實(shí)用性一種有效途徑。

　　1 片上Nios Ⅱ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是RISC 處理器，具有代表性的RISC軟核處理器是Nios Ⅱ處理器。軟核處理器是指用編程的方法生成的處理器。是一種將硬件邏輯、智能算法、硬件描述語言和編程有機(jī)的結(jié)合出來，設(shè)計(jì)處理器硬件電路的新技術(shù)。

　　片上Nios Ⅱ嵌入式多處理器系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)者可根據(jù)的實(shí)際的需要，自主選擇Nios Ⅱ處理器的類型和數(shù)目并進(jìn)行設(shè)置，對(duì)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，最大限度提高片內(nèi)資源和系統(tǒng)資源的利用率。

　　1.1 Nios Ⅱ處理器

　　由Nios Ⅱ軟核處理器構(gòu)建的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件容易進(jìn)行裁剪，并可集成在一個(gè)FPGA 芯片上，構(gòu)建系統(tǒng)和實(shí)時(shí)評(píng)估非常迅速、方便，可大大地縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

　　1.2 多處理器系統(tǒng)類型

　　按共享資源分為非共享資源多處理器系統(tǒng)和共享資源多處理器系統(tǒng)兩種。非共享資源多個(gè)處理器系統(tǒng)中的多個(gè)Nios Ⅱ處理器完全是獨(dú)立的，不共享系統(tǒng)資源，處理器相互之間無干擾，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜。共享資源多處理器系統(tǒng)在共享資源的情況下，要確保多個(gè)Nios Ⅱ處理器安全、可靠的工作，它對(duì)提高每個(gè)處理器的性能、減小體積，降低成本和功耗有利，但系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

　　按處理器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為2 種，一種是非層次結(jié)構(gòu)，處理器與系統(tǒng)組件的連接容易;另一種是層次結(jié)構(gòu)，它可根據(jù)實(shí)際需要來確定Nios Ⅱ處理器的數(shù)目，優(yōu)化系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效利用FPGA芯片的資源。但存在平衡多處理器的負(fù)載和任務(wù)協(xié)調(diào)的問題。

　　2 共享資源多處理器系統(tǒng)

　　由多個(gè)Nios Ⅱ軟核處理器，一套片上外設(shè)接口，片上存儲(chǔ)器，片外存儲(chǔ)器接口等并集成在一個(gè)FPGA芯片上，構(gòu)成片上嵌入式Nios Ⅱ軟核多處理器系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

　　2.1 共享系統(tǒng)資源

　　Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)可共享存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備系統(tǒng)資源。為了確保每個(gè)處理器共享資源，防止由于處理器之間的干擾，引起程序或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。Nios Ⅱ多處理器系統(tǒng)中使用硬件互斥核組件對(duì)共享資源進(jìn)行保護(hù)處理，以協(xié)調(diào)各個(gè)處理器的正常工作，確保處理器之間不受干擾，從而提高多處理器系統(tǒng)的性能。

　　2.2 硬件互斥核

　　用硬件互斥核來協(xié)調(diào)各個(gè)處理器對(duì)共享資源的訪問。硬件互斥核是沒有內(nèi)部功能的，是一個(gè)簡單的QSYS組件。它提供了一個(gè)協(xié)議來保證對(duì)共享資源的所有權(quán)的互斥，互斥協(xié)議是在任何時(shí)刻只有一個(gè)處理器允許訪問共享硬件資源，這樣才能有效保護(hù)多個(gè)處理器訪問使用硬件資源，防止數(shù)據(jù)的損壞或系統(tǒng)的崩潰?；コ夂薽utex提供一個(gè)原子的測(cè)試和設(shè)置操作，它允許處理器測(cè)試，如果互斥是可用的話，獲得互斥鎖處理器進(jìn)行單一的操作。當(dāng)處理器完成使用共享外設(shè)與互斥鎖，會(huì)釋放互斥鎖。此后，另一個(gè)處理器可以獲取該互斥鎖和共享外設(shè)的使用權(quán)。

　　需要注意，互斥核并沒有外設(shè)系統(tǒng)被多個(gè)處理器同時(shí)訪問的物理保護(hù)，運(yùn)行在處理器上的軟件負(fù)責(zé)遵守互斥協(xié)議，軟件通過寫獲取互斥鎖后，處理器訪問其相關(guān)聯(lián)的共享外圍設(shè)備。多個(gè)處理器訪問一個(gè)mutex核，則每個(gè)處理器有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID(cpuid)。Altera提供了Nios Ⅱ處理器訪問硬件的子程序，這些函數(shù)是針對(duì)mutex 核的，直接對(duì)底層硬件進(jìn)行操作，每個(gè)處理器通過寫它的cpuid 控制寄存器的值到mutex 寄存器的owner 域?qū)utex 加鎖，而mutex 不能對(duì)HAL API 或ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行訪問。

　　3 片上嵌入式Nios Ⅱ軟核六處理器系統(tǒng)實(shí)例

　　片上嵌入式Nios Ⅱ六處理器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　由六個(gè)Nios Ⅱ處理器、硬件互斥核、片上存儲(chǔ)器、JTAG UART、定時(shí)器、FLASH 控制器、FLASH 存儲(chǔ)器、System ID、Avalon Switch Fabric總線組成系統(tǒng)硬件的基本結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)，其中第六個(gè)Nios Ⅱ處理器、片上存儲(chǔ)器、JTAG UART、System ID、定時(shí)器、FLASH 控制和存儲(chǔ)器處在結(jié)構(gòu)的頂層。處在底層的5 個(gè)子系統(tǒng)共享存儲(chǔ)器資源，每個(gè)子系統(tǒng)包含一個(gè)NiosⅡ處理器、JTAG UART、定時(shí)器和硬件互斥核，用Ava-lon-MM、Pipeline Bridges將邏輯相鄰的子系統(tǒng)處理器和互斥核之間連接成一個(gè)環(huán)，連接子系統(tǒng)與系統(tǒng)頂層組件之間的通信通道。