基于nios ⅱ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)研究

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1、基于NiosⅡ嵌入式軟核多處理器系統(tǒng)研究通過(guò)對(duì)硬件互斥核，程序存儲(chǔ)器分區(qū)，重疊地址空間，啟動(dòng)地址和異常地址的分析，提出了多處理器系統(tǒng)共享片上存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器和外設(shè)資源的解決方法，為NiosⅡ嵌入式多處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有效的方法和途徑。0引言基于SoPC技術(shù)開(kāi)發(fā)的嵌入式NiosⅡ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NiosⅡ軟核多處理器系統(tǒng)，是提高嵌入式系統(tǒng)性?xún)r(jià)比和實(shí)用性一種有效途徑。1片

2、上NiosⅡ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NiosⅡ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(yǔ)言和編程有機(jī)的結(jié)合出來(lái)，設(shè)計(jì)處理器硬件電路的新技術(shù)。片上NiosⅡ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NiosⅡ處理器的類(lèi)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。1.1NiosⅡ處理器由NiosⅡ軟核處理器構(gòu)建的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件

3、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(lèi)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)NiosⅡ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(wú)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)NiosⅡ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。win764位xi

4、tongcheng.com/win7/64/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(lái)確定NiosⅡ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(wèn)題。2共享資源多處理器系統(tǒng)由多個(gè)NiosⅡ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NiosⅡ軟核多處理器系統(tǒng)的基本架構(gòu)。2.1共享系統(tǒng)資源NiosⅡ多處理器系統(tǒng)可共享存儲(chǔ)器、外

5、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。NiosⅡ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(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)處理器對(duì)共享資源的訪(fǎng)問(wèn)。硬件互斥核是沒(méi)有內(nèi)部功能的，是一個(gè)簡(jiǎn)單的QSYS組件。它提供了一個(gè)協(xié)議來(lái)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(fǎng)問(wèn)共享硬件資源，這樣才能有效保護(hù)多個(gè)處理

6、器訪(fǎng)問(wèn)使用硬件資源，防止數(shù)據(jù)的損壞或系統(tǒng)的崩潰。互斥核mutex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(huà)，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(méi)有外設(shè)系統(tǒng)被多個(gè)處理器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)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(guò)寫(xiě)獲取互斥鎖后，處理器訪(fǎng)問(wèn)其相關(guān)聯(lián)的共享外圍設(shè)備。多個(gè)處理器訪(fǎng)問(wèn)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

7、)。Altera提供了NiosⅡ處理器訪(fǎng)問(wèn)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(guò)寫(xiě)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)HALAPI或ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。3片上嵌入式NiosⅡ軟核六處理器系統(tǒng)實(shí)例片上嵌入式NiosⅡ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)NiosⅡ處理器、硬件互斥核、片上存儲(chǔ)器、JTAGUART、定時(shí)器、FLASH控制器、FLASH存儲(chǔ)器、System

8、ID、AvalonSwitchFabric總線(xiàn)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)NiosⅡ處理器、片上存儲(chǔ)器、JTAGUART、SystemID、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、JTAGUART、定時(shí)器和硬件互斥核，用Ava-lon-MM、PipelineBridges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。??3.2NiosⅡ