Virtex-II Pro开发板进行双核系统解决方案

    Xilinx Virtex-II Pro开发板为各大学主要采用的开发板，该板上主芯片XC2VP30内置两个硬核PowerPC405，具有30 816逻辑单元、136个18位的乘法器、2 448 Kbit的Block RAM。国内研究应用多使用该板进行单核系统设计，未能充分利用其双核资源。其原因在于：Xilinx公司软件对Virtex-II系列开发板的双核系统设计支持性不好;Virtex-II Pro开发板只具有一个串口输出，给调试带来了极大的不便。

　　针对在Virtex-II Pro开发板进行双核系统设计难
度大的问题，本文给出双核硬件系统的构建方法，提出一种共享串口输出和共享存储器的系统结构，能够充分利用板上资源，下载调试非常便利，可以很好地支持双核的应用设计。

　　1 硬件系统设计

　　系统采用EDK10.1i03开发环境。设计双核的系统硬件结构如图1所示。

　　系统具有2个PowerPC405处理器：PPC_0和PPC_1，两个处理器具有各自独立的私有Boot BRAM，用于存储相应的应用程序。PPC_0通过总线PLB_0控制外设SDRAM，PPC_1通过总线PLB1控制外设LED_4Bits。两个处理器具有各自的中断控制器和复位控制器。JTAG具有2个PowerPC的接口，并通过共享串口进行信息输出。

　　双核系统设计流程如下：

　　(1)利用BSB(Base system Builder)向导生成单核系统。

　　系统BSB设置的参数如下：

　　· System clock：100 MHz，no cache，no OCM

　　· RS232：opb UARTLITE，115200n8，use interrupt

　　· DDRAM：PLB DDR 256 MB，use interrupt

　　· LEDs_4 Bit：use interrupt

　　· PLB_BRAM_IF_CNTLR：64 KB

　　(2)添加和配置IP

　　由于EDK10不支持双核系统设计，因此需要手动添加和配置相关IP，需添加的IP核有：

　　ppc405, plb_v46, plb2plb_bridge, bram_block, opb_intc plb_bram_if_cntlr, xps_mutex

　　MHS(Microprocessor Hardware Specification)是描述硬件结构的文件，需要修改MHS文件对添加的IP核进行配置。这里给出主要的ppc405、bram_block、xps_mutex核的配置说明，其他IP核将不再赘述。

　　①对PPC405_1的配置说明

　　BEGIN ppc405

　　PARAMETER INSTANCE = PPC_1

　　PARAMETER HW_VER = 3.00.a

　　PARAMETER C_DSOCM_DCR_BASEADDR=

　　0b0000100000

　　PARAMETER C_DSOCM_DCR_HIGHADDR =

　　0b0000100011

　　BUS_INTERFACE RESETPPC=ppc_rest_bus_1 //复位

　　BUS_INTERFACE JTAGPPC = jtagppc_cntlr_0_1

　　#用于PPC_1调试

　　BUS_INTERFACE IPLB0=plb1//总线

　　BUS_INTERFACE DPLB0=plb1

　　PORT EICC405EXTINPUTIRQ=xps_intc_1_Irq

　　PORT CPMC405CLOCK=proc_clk_s //时钟

　　END

　　②对Mutex核进行配置

　　BEGIN xps_mutex

　　PARAMETER INSTANCE = xps_mutex_0

　　PARAMETER HW_VER = 1.00.a

　　PARAMETER C_NUM_MUTEX = 2

　　PARAMETER C_SPLB0_BASEADDR = 0x82400000

　　#该地址应用于Mutex初始化

　　PARAMETER C_SPLB0_HIGHADDR = 0x8240ffff

　　PARAMETER C_SPLB1_BASEADDR = 0x82600000

　　#该地址应用于Mutex初始化

　　PARAMETER C_SPLB1_HIGHADDR = 0x8260ffff

　　BUS_INTERFACE SPLB1 = plb1

　　BUS_INTERFACE SPLB0 = plb0

　　END

　　③共享BRAM核进行配置

　　BEGIN bram_block

　　PARAMETER INSTANCE = share_bram

　　PARAMETER HW_VER = 1.00.a

　　BUS_INTERFACE PORTB=share_bram_if_cntlr_1_PORTA

　　BUS_INTERFACE PORTA = share_bram_if_cntlr_0_

　　PORTA

　　END

　　(3)生成地址空间(Generate Addresses)

　　使用Generate Addresses命令，系统自动分配地址空间。由于软件本身不支持双核系统设计，在地址空间冲突时，需要手动对冲突的地址空间进行调整。使用Generate Bitstream可产生系统的硬件比特流。

2 软件工程设计

　　2.1 软件工程构建

　　(1)配置软件平台

　　由于两个PowerPC通过总线及总线桥共享串口输入，因此需要在Software Platform Settings中，对stdout和stdin配置为RS232_Uart_1。

　　(2)添加应用工程

　　添加工程ppc0_test_share和ppc1_test_share。选中两个工程文件，分别Mark to initialize BRAM，并将软件工程指定给各自的处理器。

　　Generate the linker script，指定将所有程序段放入各自的私有BRAM中。Update Bitstream以生成相应的全局比特流文件。

　　软件工程包括SDRAM 测试、LED外设测试、SHARE BRAM的读写操作，测试结果通过共享串口进行输出。双核CPU通过Mutex核进行互锁访问，控制访问共享串口。

　　2.2 Mutex核使用

　　Mutex提供多核环境下处理器对共享设备的互斥访问。其原理是：Mutex具有32 bit的写数据寄存器，如图2所示。CPU_0访问共享资源前，先向该数据寄存器写自己的CPU_ID，如果Mutex设备空闲，则将CPUID写入寄存器，并Lock置1。CPU_0通过查询和比较写数据寄存器和自己的CPUID，以确定是否获得访问共享资源的权限。没有获得权限，则等待或者退出;获得权限后，对共享资源访问，访问结束后释放锁。其在系统中的连接如图3所示。

　　xps_mutex连接到PLB0和PLB1总线上，初始化时需要对其地址进行配置。在设计过程中发现，由于Xilinx的软件设计问题，EDK10在头文件xparameters.h中不能正常生成SPLB1的地址，表现为软件自动生成的SPLB1和SPLB0的地址相同，会造成Mutex初始化失败。因此在初始化Mutex时，切勿直接使用XMutex_LookupConfig()函数。PPC_1初始化Mutex的过程如下：

　　#define XPAR_XPS_MUTEX_0_SPLB1_BASEADDR 0x82600000

　　void init_lock ()

　　{ XMutex_Config *cfg;

　　XMutex_Config XMutex_ConfigTable[] ={

　　{ XPAR_XPS_MUTEX_0_DEVICE_ID,

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_SPLB1_BASEADDR,

　　//该地址需要对应SPLB1的地址

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_NUM_MUTEX,

　　XPAR_XPS_MUTEX_0_ENABLE_USER}

　　};

　　cfg=&XMutex_ConfigTable[0];

　　XMutex_CfgInitialize(&mutex, cfg, cfg->BaseAddress);

　　}

　　访问共享串口的操作为：

　　void share_rs232(char *messages)

　　{ char *tmp;

　　XMutex_Lock(&mutex, MUTEX_NUM);//对共享资源加锁

　　printf("CPU(%x):%srn",XPAR_CPU_ID,messages);

　　XMutex_Unlock(&mutex,MUTEX_NUM); //释放

　　}

　　2.3 系统测试结果

　　2.3.1 共享串口测试

　　设置超级终端，连接JTAG电缆，选中Download Bitstream将比特流下载到目标板上。通过共享串口，两个CPU分别输出其工作状态。输出结果如图4所示。

　　其中CPU(0)输出私有存储器SDRAM的测试正确信息，说明PPC_0正常工作。

　　同时观察板上LED显示，led_0、led_2和led_1、led_3呈现交替闪烁状态，说明PPC_1及外设LED工作正常。

　　2.3.2 共享存储器读写测试

　　SSHM_READFLAG为CPU读写状态指示。SSHM_READFLAG为0时，PPC_0进行写操作;为1时，PPC_1进行读操作。共享存储器的读写操作测试结果如图5所示。

　　PPC_0对共享BRAM进行写数据操作，数据依次为0～4，每次写操作完成后将SSHM_READFLAG置1。PPC_1在PPC_0每次数据操作完毕后，检测到SSHM_READFLAG为1时进行读数据操作，操作完成后置SSHM_READFLAG为0。

　　本文完成基于Virtex-II pro开发板的双核PowerPC系统的构建，提高板上资源利用效率。系统通过Mutex的互锁机制完成对共享资源的控制。共享串口输出调试结果，解决了开发板的单串口不易调试的问题;通过共享BRAM进行数据交换，可以实现系统的并行协同处理;直接下载比特流即可实现双核的系统运行，调试和系统运行更为方便。该系统为使用Virtex-II Pro开发板进行双核系统设计提供了参考价值。