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基于PowerPC405的Xilkernel內(nèi)核實現(xiàn)多任務操作

作者:四川九洲電器集團公司 李濤 時間:2008-03-25 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/80623.htm

  集成在Virtex-II Pro器件中的PowerPC405,是一個32位RISC硬核,它支持總線的標準外設集合。使用總線,可以方便地控制多個外設。在EDK集成開發(fā)環(huán)境下,對于多個外設,每個外設都有對應的任務。PowerPC405默認的嵌入式內(nèi)核是standalone,在其上開發(fā)的多個任務是宏觀串行執(zhí)行的,只有利用參數(shù)傳遞或全局參變量來建立各任務間的關系。在很多情況下,系統(tǒng)需要多個任務系統(tǒng)宏觀并行執(zhí)行,使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內(nèi)核改變?yōu)镋DK自帶的內(nèi)核,適當?shù)馗淖冘浖脚_設置的內(nèi)容,就可以實現(xiàn)多個任務的并行執(zhí)行。也支持多任務間通訊和。根據(jù)各種通訊方式,也可以建立各個任務之間的聯(lián)系;通過,處理器可以及時響應外設產(chǎn)生的事件。

  硬件系統(tǒng)結構

  如圖1所示,PowerPC405使用FPGA外部的存儲單元,使用總線和外圍接口。CoreConnect總線的標準外設集合可以重復使用,使系統(tǒng)整合變的更加容易。

  CoreConnect總線結構

  PLB總線接口:用于PowerPC405內(nèi)核與高性能設備的連接。PLB接口包括ISPLB接口和DSPLB接口兩種。其中,ISPLB接口用于外設與PowerPC405指令緩沖的連接,DSPLB接口用于外設與PowerPC405數(shù)據(jù)緩沖的連接。

  OPB總線接口:片上外設總線,內(nèi)核通過OPB來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。它不是直接連接到處理器內(nèi)核。處理器內(nèi)核借助于“PLB to OPB”橋,通過OPB訪問從外設;OPB總線控制器的外設可以借助“OPB to PLB”橋,通過PLB訪問存儲器。

  硬件平臺構件

  在EDK集成開發(fā)環(huán)境中,由用戶向?qū)蒑HS文件,用戶也可以根據(jù)MHS文件的語法添加自定義的外設。MHS文件用于描述硬件體系結構,其主要包括平臺的處理器類型、總線結構、外圍接口、處理和地址空間。

  EDK工具platGen使用MHS文件作為輸入來創(chuàng)建硬件平臺,它創(chuàng)建不同形式的網(wǎng)表文件(NGC,EDIF),下游工具的支持文件和頂級HDL包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺。

  軟件系統(tǒng)結構

  在EDK集成開發(fā)環(huán)境中,MSS文件用于描述軟件體系結構,其主要定義了平臺的內(nèi)核、軟件庫、驅(qū)動程序和文件系統(tǒng)的參數(shù)。

  EDK工具libGen使用MSS文件作為輸入,定制驅(qū)動、庫、文件系統(tǒng)和中斷處理程序。

  模塊結構

  Xilkernel模塊結構如圖2所示,Xilkernel提供與內(nèi)核的POSIX接口。但并不是每一個通過POSIX定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個精細選擇的子集,幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持POSIX線程、POSIX無名、XSI、POSIX互斥鎖、中斷處理等。

  Xilkernel的軟件平臺配置

  Xilkernel已經(jīng)被設計為可以和EDK軟件和硬件流緊密共同工作,完全被整合在軟件平臺配置和自動的庫、板級支持包產(chǎn)生機制之中。在軟件配置平臺,可以對Xilkernel支持的功能進行配置,下面介紹一些主要的配置:

  a、指定系統(tǒng)定時器的頻率值和時間片間隔。

  b、指定系統(tǒng)可以運行的線程數(shù)量、任務調(diào)度方式(這里我們設置為優(yōu)先級搶占方式,以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理)和系統(tǒng)中斷控制器。

  c、配置系統(tǒng)的通訊方式,可以通過這些開關來確定系統(tǒng)需要的通訊方式,并可以確定各個通訊方式的參數(shù)。包括、等。

  d、指定系統(tǒng)的靜態(tài)任務,也就是完全進入內(nèi)核后執(zhí)行的第一個任務,可以在這個任務里產(chǎn)生和設置系統(tǒng)需要的其它任務。

  e、一些增強系統(tǒng)功能的設置等等。

  主要任務間的通訊方式和中斷

  必需的配置

  首先要生成連接腳本,是通過硬件需要生成的,此腳本反映了Xilkernel需要的不同的段存儲器。比如.vectors段被分配于一個有64KB地址邊界的存儲器的開始,而.boot段在0xFFFFFFFC處。其余的代碼和數(shù)據(jù)存儲器可以放在任何地方。

  其次,Xilkernel是作為一個庫來架構的。這意味著應用程序源文件僅需要連接Xilkernel,就能夠訪問Xilkernel的功能。這些需要設置編譯器的庫連接選項為xilkernel,并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應用程序提供main()入口,然后通過調(diào)用xilkernel_main()作為內(nèi)核的入口點。產(chǎn)生庫、BSP并編譯程序后,Xilkernel將自動作為系統(tǒng)啟動、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個簡單的內(nèi)核入口代碼:

  #include "xmk.h"
  /* 定義和聲明 */
  int main()
  {
  /* 用戶完成預處理,不允許調(diào)用內(nèi)核接口 */
  xilkernel_main ();    /* 開始內(nèi)核 */
  /* 程序不會執(zhí)行到這里 */
  }
  /* 系統(tǒng)的靜態(tài)任務 */
  Void * first_thread ()
  {
  /* 產(chǎn)生一些線程來處理用戶需要 */
  }

  線程的創(chuàng)建

  線程的創(chuàng)建及屬性的簡單設置可以由下面幾個函數(shù)實現(xiàn):

  int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr)
  int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr, struct sched_param *schedpar)
    int pthread_create (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr, void* (*start_func)(void*),void* param)
  pthread_attr_init()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來設置線程的優(yōu)先級,attr是線程的屬性,schedpar是包含有線程優(yōu)先級的數(shù)據(jù)結構。pthread_create()創(chuàng)建一個線程,thread表明線程ID,attr指出線程屬性,start_func函數(shù)指針是線程創(chuàng)建成功后開始執(zhí)行的函數(shù),param是這個函數(shù)的一個唯一的參數(shù)。

  在靜態(tài)任務中調(diào)用這些函數(shù)來產(chǎn)生一些有優(yōu)先級的任務。如下例:
  static pthread_t tid0,tid1;
  static pthread_attr_t attr;
  static struct sched_param prio;
  void * first_thread () {   ......
       pthread_attr_init(&attr);
       prio.sched_priority = 4;
      pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio);
       ret = pthread_create (&tid0, &attr, (void*)important_task, NULL);
       pthread_attr_init (&attr);
       prio.sched_priority = 5;
       pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio);
       ret = pthread_create (&tid1, &attr, (void*)second_important_task, NULL);
          ......
  }

 這樣,系統(tǒng)會發(fā)起important_task和second_important_task兩個任務,important_task的優(yōu)先級比second_important_task高,會優(yōu)先運行。除非important_task任務阻塞或退出,second_important_task才可能得到運行。
POSIX無名

  信號量提供高速的任務間同步和互斥機制。對于互斥,信號量可以上鎖共享資源,使得該共享資源在同一時刻只有一個線程所擁有。關于此信號量的一些常用函數(shù)如下:

  int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
  int sem_wait(sem_t *sem);
  int sem_post(sem_t *sem);
  sem_init()創(chuàng)建一個信號量,并初始化信號量的值為value;sem_wait()調(diào)用將阻塞進程,直到信號量的值大于0,此函數(shù)返回時信號量的值減1;sem_post()是將信號量的值加1,并發(fā)出信號喚醒等待的進程。

  信號量用于同步,一般要初始化為0,等待要同步的任務阻塞在sem_wait()調(diào)用上。任務調(diào)用sem_post來解鎖該信號量,來達到同步。下面一個例子是用信號量實現(xiàn)同步操作的:

  static sem_t    protect;
  void * first_thread (){   ......
   sem_init(&protect, 1, 0);
          ......
  }
   void* thread_func1 (){ ......
       while(1){
    sem_wait(&protect);
     ......
       }
  }
  void* thread_func2 (){ ......
       while(1){......
    if(某種條件成立)sem_post(&protect);
       }
  }

  當信號量用于互斥時,一般要初始化為一個大于0的值,就可以讓資源可用。如果信號量的初始值為1,第一個上鎖該信號量的線程會立即執(zhí)行,后繼的線程將會阻塞,直到下次信號量解鎖才會執(zhí)行。

  XSI

  消息隊列允許長度可變、數(shù)目可變的消息排隊。任何任務或中斷服務程序可以發(fā)送消息到消息隊列。任何任務可從消息隊列接收消息。關于此消息隊列的一些常用函數(shù)如下:

   int msgget(key_t key, int msgflg)
  int msgsnd (int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
  ssize_t msgrcv (int msqid, void *msgp, size_t nbytes, long msgtyp, int msgflg)
   msgget()來創(chuàng)建一個消息隊列,key是消息隊列的標識符,msgflag目前有兩個選項,IPC_CREAT和IPC_EXCL。msgsnd()函數(shù)往隊列發(fā)送一條消息,msgp是消息緩沖指向的指針,msgsz表示消息的字節(jié)數(shù)。msgrcv ()函數(shù)作用是從消息隊列中讀取消息,把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區(qū),nbytes表示緩沖支持的消息字節(jié)數(shù)。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊列描述符,用來標識相關的消息隊列。下面是消息隊列單向通信的簡單代碼:

  struct _msg {
    short type;
    char  first;
     char  last;
  };
  static struct _msg msg_p;
  static struct _msg msg_c;
  static int msgid;
  void * first_thread (){   ......
   msgid = msgget(5,IPC_CREAT | IPC_EXCL);
          ......
  }
  void* consumer ()
  {
   while(1) {
    msgrcv( msgid, &msg_c, 4, 0,0 );
    ......
   }
  }
  void* producer ()
  {
   while(1) {......
    msgsnd (msgid, &msg_p, 4, 0);
   }
  }

  在例子開始,建立消息的數(shù)據(jù)結構。在producer()中操作消息的各項數(shù)據(jù),通過msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中,如果消息隊列里沒有消息,則msgsnd()阻塞此線程,直到消息隊列非空時,msgsnd()才把消息復制到msg_p指向的數(shù)據(jù)結構中,此時此線程開始執(zhí)行,并可以對接收到的消息進行處理。

  中斷

  Xilkernel已經(jīng)被設計為可以和多個中斷設備共同工作,用戶用opb_intc IP核作為中斷控制器來處理硬件中斷。Xilkernel僅支持一個中斷控制器來連接PPC405的外部中斷引腳,而且不支持中斷控制器連接臨界的中斷。對于中斷程序設計,Xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。

  在xilkernel_main()中已經(jīng)完成了初始化PowerPC405的中斷表,并能使了中斷控制器連接在處理器上的非臨界的中斷。下面是摘抄xilkernel_main()內(nèi)部執(zhí)行相關代碼:

   XExc_Init();     /*初始化PowerPC405的中斷表*/
   XExc_mEnableExceptions (XEXC_NON_CRITICAL);    /*能使非臨界中斷*/
  下面是開發(fā)應用程序要做的一些工作。首先,使中斷控制器開始接收中斷;其次,把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上;再就是注冊此非臨界中斷;最后能使此中斷。下面是一個串口中斷接收的簡單代碼:

   void * first_thread (){......
  XIntc_mMasterEnable(XPAR_ MYINTC_BASEADDR);
   XIntc_mEnableIntr(XPAR_ MYINTC_BASEADDR,  XPAR_MYUART_INTERRUPT_MASK);
  XIntc_RegisterHandler(XPAR_ MYINTC_BASEADDR,  XPAR_MYUART_INTERRUPT_INTR,
  (XInterruptHandler)uart_int_ handler,(void *)XPAR_MYINTC_BASEADDR);
   XUartLite_mEnableIntr (XPAR_MYUART _BASEADDR);
  ......
  }
  void uart_int_handler(void *baseaddr_p) {/* 中斷處理程序 */ while(!XUartLite_mIsReceiveEmpty (XPAR_MYUART_BASEADDR)) {
     ch = XUartLite_RecvByte( XPAR_MYUART_BASEADDR);
     ......
    }
  }

  一個中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應該盡量短,如果中斷處理程序不能完全處理此事件,可以由信號量同步發(fā)起一個任務來處理本事件。

  結語

  Xilinx公司的Vritex-II Pro實現(xiàn)了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設計平臺,其出眾的性能受到高端應用的青睞。在此平臺上利用  Xilkernel嵌入式操作系統(tǒng),為嵌入式應用開發(fā)提供了極大的系統(tǒng)結構靈活性。本文僅介紹了幾種常用的基于Xilkernel的嵌入式應用程序設計方法,讀者還可以利用互斥、軟件定時器等實現(xiàn)其它的功能。讀者也可以根據(jù)嵌入式開發(fā)的經(jīng)驗和Xilkernel的強大功能,構建復雜的FPGA嵌入式系統(tǒng)。■

  參考文獻:

  1.  Xilinx. Embedded System Tools Guide. EDK (v6.3i). 2004。

  2.  Xilinx. EDK OS and Libraries Reference Manual. EDK (v6.3i).2004。

  3.  任曉東,文博. CPLD/FPGA高級應用開發(fā)指南.電子工業(yè)出版社. 2003。

  4.  王磊.32 位軟處理器MicroBlaze的體系結構及其應用.今日電子. 2004。



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