雙處理器通信方案的研習(xí)與策劃

雙處理器通信方案的研習(xí)與策劃

雙處理器之間通信方式

目前，基于FPGA的雙處理器之間的通信根據(jù)通信方式來劃分，主要有：共享存儲(chǔ)器、郵箱核(mailbox)、串口通訊和DMA等四種方式。共享存儲(chǔ)器通信是一種兩個(gè)處理器之間的堵塞通信方式。在雙處理器系統(tǒng)中，可以通過共享片上RAM的方式來實(shí)現(xiàn)處理器之間的數(shù)據(jù)交互。為了防止死鎖的發(fā)生，需要通過設(shè)置標(biāo)志位或者中斷信號(hào)的方式，實(shí)現(xiàn)雙處理器的異步接收或發(fā)送。同時(shí)發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程必需在兩個(gè)處理器上成對(duì)消失，只有當(dāng)兩個(gè)處理器上的發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程同時(shí)到來時(shí)，兩個(gè)處理器才能共同退出當(dāng)前通信進(jìn)程，進(jìn)入下一條指令。郵箱核主要供應(yīng)了兩組互斥體，一個(gè)用于保證對(duì)共享存儲(chǔ)器的唯一寫訪問，另外一個(gè)用于保證對(duì)共享存儲(chǔ)器唯一的讀訪問。郵箱核結(jié)合片上RAM，可以實(shí)現(xiàn)雙處理器之間的數(shù)據(jù)交換。郵箱核加片上RAM的組合方式，適合于雙處理器之間的單向傳輸數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)性好，速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于通信的數(shù)據(jù)構(gòu)造有一些要求。串口通訊在雙處理器之間的數(shù)據(jù)交換主要是通過串口通信設(shè)備完成的。將系統(tǒng)中的處理器分為主設(shè)備和從設(shè)備，當(dāng)主設(shè)備要讀取從設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，就向從設(shè)備發(fā)送一個(gè)讀取的指令，從設(shè)備接收到指令后將數(shù)據(jù)發(fā)送到主設(shè)備中。主設(shè)備向從設(shè)備寫入數(shù)據(jù)過程也是如此。這種通信方式，對(duì)于軟件程序方面依靠性較小，但是傳輸模式單一，存在肯定的延時(shí)。DMA方式主要是用于數(shù)據(jù)量比擬大的狀況下，通過對(duì)數(shù)據(jù)整塊的處理，能夠有效的縮減數(shù)據(jù)通信占用處理器的時(shí)間。

互聯(lián)模塊概要設(shè)計(jì)

通過對(duì)以上雙處理器之間通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合本系統(tǒng)通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合本系統(tǒng)的FIFO互聯(lián)模塊。在該系統(tǒng)中，使用的是定制IP核的方式來設(shè)計(jì)該模塊，在IP核中設(shè)計(jì)相關(guān)的存放器，設(shè)計(jì)出相關(guān)的讀寫掌握規(guī)律。該IP核的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)方面。第一是對(duì)于系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)局部而言，要在操作系統(tǒng)的層次上，讀取FIFO緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入FIFO緩沖區(qū)，保證數(shù)據(jù)的讀取和寫入正常。在操作系統(tǒng)中編寫該FIFO緩沖區(qū)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)中推斷該設(shè)備的讀寫狀態(tài)。其次是對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)局部而言，要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，將數(shù)據(jù)從該FIFO緩沖區(qū)中讀取，同時(shí)將反應(yīng)數(shù)據(jù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)寫入到FIFO緩沖區(qū)中。通過對(duì)該IP核中定義的掌握存放器的讀取，實(shí)時(shí)的推斷該FIFO設(shè)備的狀態(tài)，保證準(zhǔn)時(shí)的讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。第三就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)該FIFO緩沖區(qū)的互斥訪問，保證每次讀取或者寫入的數(shù)據(jù)都是完整的，確保數(shù)據(jù)的精確。通過對(duì)緩沖區(qū)的大小進(jìn)展設(shè)定，當(dāng)讀或者寫完成時(shí)，設(shè)置掌握存放器中相應(yīng)的標(biāo)志位，到達(dá)互斥訪問的目的。

具體設(shè)計(jì)

1IP核的設(shè)計(jì)

該IP核主要的功能一是對(duì)寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)展緩沖，二是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)展分隔，保證每次讀寫的數(shù)據(jù)都是完整的一幀。該IP核在QuartusII環(huán)境中頂層模塊如圖2所示。該FIFO的緩沖區(qū)大小為128位，寬度為32。使用了一個(gè)讀指針READ_POINTER和一個(gè)寫指針WRITE_POINTER來掌握CPU對(duì)該緩沖區(qū)的讀寫，讀寫指針大小都設(shè)置為2。該FIFO的讀寫數(shù)據(jù)模型如圖3所示。當(dāng)對(duì)該緩沖區(qū)進(jìn)展讀或者寫操作時(shí)，相應(yīng)的指針發(fā)生變化。當(dāng)讀或?qū)懼羔樀竭_(dá)肯定的條件時(shí)，就設(shè)置相關(guān)存放器的狀態(tài)。當(dāng)從該緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)完成時(shí)，就將READ_DONE置1，同時(shí)將READ_ENABLE置0，將WRITE_ENABLE置1，從而完成讀操作，保證讀取數(shù)據(jù)的完整性。同理，當(dāng)寫數(shù)據(jù)完成了，將WRITE_DONE置1，同時(shí)將READ_ENABLE置1，將WRITE_ENABLE置0，完成寫操作。這樣就可以掌握CPU對(duì)緩沖區(qū)的讀寫，保證數(shù)據(jù)的唯一性。

可以看出通過對(duì)讀寫標(biāo)志位的推斷，可以到達(dá)對(duì)該FIFO狀態(tài)的推斷，從而掌握讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。整個(gè)狀態(tài)的推斷和掌握是通過掌握存放器(CONTROL_REG)來實(shí)現(xiàn)的，在掌握存放器中推斷FIFO可讀或者可寫狀態(tài)是由CONTROL_REG[7:6]來掌握的，而向FIFO中每次寫入或讀取數(shù)據(jù)的大小是由CONTROL_REG[1:0]來掌握的，系統(tǒng)可以隨時(shí)讀取該存放器來確定FIFO的讀寫狀況。該IP核的掌握存放器構(gòu)造如圖4所示。在QuartusII下進(jìn)展功能仿真如圖5所示。從圖5中可以看出，IP核復(fù)位后，F(xiàn)IFO的狀態(tài)是可寫的。此時(shí)，讀取存放器的狀態(tài)位0x80，說明該FIFO是可寫的。將0x2寫入到掌握存放器(CONTROL_REG[1:0])中，就確定了FIFO中每幀的大小。讀取存放器，為0x82，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入到掌握存放器中。然后向FIFO中寫入數(shù)據(jù)0x12345678和0x87654321后，可以看到WRITE_DONE置1，READ_ENABLE被置1，WRITE_ENABLE被置0，同時(shí)寫指針WRITE_POINTER也是正確的，此時(shí)讀取存放器，為0x42，說明寫操作完成，數(shù)據(jù)可讀。在后面對(duì)FIFO進(jìn)展讀操作可以看出，各個(gè)標(biāo)志位和讀寫指針都是正確的，可以看到讀出的數(shù)據(jù)為0x87654321和0x12345678。此時(shí)，讀取存放器中數(shù)據(jù)，為0x82，說明數(shù)據(jù)可寫。

2FIFO的驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)時(shí)局部和非實(shí)時(shí)局部之間通過FIFO傳遞數(shù)據(jù)，非實(shí)時(shí)局部運(yùn)行的是Clinux操作系統(tǒng)，需要對(duì)FIFO編寫驅(qū)動(dòng)。在Clinux下開發(fā)FIFO設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和常規(guī)Linux下開發(fā)驅(qū)動(dòng)流程一樣。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序被組織為一組完全不同任務(wù)的函數(shù)的集合，通過這些函數(shù)使得設(shè)備操作如同文件一般。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作一般文件一樣對(duì)硬件進(jìn)展操作。如open()、close()、read()、write()等等。Linux主要將設(shè)備分為兩類：字符設(shè)備和塊設(shè)備。字符設(shè)備是指設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進(jìn)展；而塊設(shè)備則以整個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的形式進(jìn)展。本文中FIFO設(shè)備屬于字符設(shè)備，其設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要定義一下幾個(gè)函數(shù)初始化完成后，對(duì)設(shè)備的讀寫主要是通過調(diào)用write_data()和read_data()來實(shí)現(xiàn)的。Clinux針對(duì)無MMU的處理器做了移植，與Linux使用虛擬內(nèi)存不同，Clinux采納真實(shí)地址方式,這樣操作硬件設(shè)備特別便利。SOPC系統(tǒng)把存儲(chǔ)設(shè)備，IO映射為統(tǒng)一編制的存儲(chǔ)設(shè)備。

自定義IP核在雙處理器中應(yīng)用

1雙處理器平臺(tái)的搭建

依據(jù)設(shè)計(jì)的需要，構(gòu)建一個(gè)完整的SOPC系統(tǒng)后，才能真正實(shí)現(xiàn)雙處理器的設(shè)計(jì)。在SOPCBuilder中參加CPU1和CPU2，一個(gè)Timer，定制的FIFO組件以及sdram、flash、JTAG等外圍設(shè)備。其中非實(shí)時(shí)局部的CPU1選擇NIOSII/f，復(fù)位向量設(shè)置為flash,特別向量設(shè)置為sdram。另外連接CPU1的Timer要選擇全功能型(Full-featured)，并將該Timer的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為0。而實(shí)時(shí)局部的CPU2也要選擇NIOSII/f，復(fù)位向量設(shè)置為flash，特別向量設(shè)置為sdram。

2自定義IP核功能驗(yàn)證

將定制的IP組件添參加到系統(tǒng)中，在CPU1上運(yùn)行Clinux操作系統(tǒng)，CPU2的程序是在NIOSIIIDE環(huán)境下運(yùn)行。在CPU1上運(yùn)行的程序首先使用函數(shù)open（）翻開該FIFO設(shè)備，然后通過讀函數(shù)read()和寫函數(shù)write()區(qū)讀寫數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)CPU1讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。而在NIOSIIIDE環(huán)境下，使用查詢方式，來讀取該定制FIFO數(shù)據(jù)，使用函數(shù)IORD()存器CONTROL_REG的狀態(tài)，假如為可讀的，則執(zhí)行讀操作，假如為不行讀，則什么都不執(zhí)行。寫數(shù)據(jù)也是如此。經(jīng)過驗(yàn)證，數(shù)據(jù)都能按時(shí)按序到達(dá)，該IP核很好的滿意了設(shè)計(jì)的需要。

完畢語