基于Virtex-II Pro的雙核系統構建

呂 平，趙明生

（清華大學 電子工程系，北京 100084）

隨著對信息處理技術要求的不斷提高，單核系統設計在提升系統整體性能上出現瓶頸，系統設計逐漸向多核系統設計轉變。Xilinx Virtex-II Pro開發板為各大學主要采用的開發板，該板上主芯片XC2VP30內置兩個硬核PowerPC405，具有30 816邏輯單元、136個 18位的乘法器、2 448 Kbit的 Block RAM。

但國內研究應用多使用該板進行單核系統設計，未能充分利用其雙核資源。其原因在于：Xilinx公司軟件對Virtex-II系列開發板的雙核系統設計支持性不好；Virtex-II Pro開發板只具有一個串口輸出，給調試帶來了極大的不便。

針對在Virtex-II Pro開發板進行雙核系統設計難度大的問題，本文給出雙核硬件系統的構建方法，提出一種共享串口輸出和共享存儲器的系統結構，能夠充分利用板上資源，下載調試非常便利，可以很好地支持雙核的應用設計。

1 硬件系統設計

系統采用EDK10.1i03開發環境。設計雙核的系統硬件結構如圖1所示。

圖1 雙核的系統結構示意圖

系統具有 2個PowerPC405處理器：PPC_0和 PPC_1，兩個處理器具有各自獨立的私有Boot BRAM，用于存儲相應的應用程序。PPC_0通過總線PLB_0控制外設SDRAM，PPC_1通過總線 PLB1控制外設 LED_4Bits。兩個處理器具有各自的中斷控制器和復位控制器。JTAG具有2個PowerPC的接口，并通過共享串口進行信息輸出。

雙核系統設計流程如下：

(1)利用 BSB(Base system Builder)向導生成單核系統。

系統BSB設置的參數如下：

（2）添加和配置 IP

由于EDK10不支持雙核系統設計，因此需要手動添加和配置相關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)是描述硬件結構的文件，需要修改MHS文件對添加的IP核進行配置。這里給出主要的 ppc405、bram_block、xps_mutex核的配置說明，其他IP核將不再贅述。

①對PPC405_1的配置說明

②對Mutex核進行配置

③共享BRAM核進行配置

（3）生成地址空間(Generate Addresses)

使用Generate Addresses命令，系統自動分配地址空間。由于軟件本身不支持雙核系統設計，在地址空間沖突時，需要手動對沖突的地址空間進行調整。使用Generate Bitstream可產生系統的硬件比特流。

2 軟件工程設計

2.1 軟件工程構建

（1）配置軟件平臺

由于兩個PowerPC通過總線及總線橋共享串口輸入，因此需要在 Software Platform Settings中，對 stdout和stdin配置為 RS232_Uart_1。

（2）添加應用工程

添加工程ppc0_test_share和 ppc1_test_share。選中兩個工程文件，分別Mark to initialize BRAM，并將軟件工程指定給各自的處理器。

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

軟件工程包括SDRAM測試、LED外設測試、SHARE BRAM的讀寫操作，測試結果通過共享串口進行輸出。雙核CPU通過Mutex核進行互鎖訪問，控制訪問共享串口。

2.2 Mutex核使用

Mutex提供多核環境下處理器對共享設備的互斥訪問。其原理是：Mutex具有32 bit的寫數據寄存器，如圖2所示。CPU_0訪問共享資源前，先向該數據寄存器寫自己的CPU_ID，如果 Mutex設備空閑，則將 CPUID寫入寄存器，并Lock置1。CPU_0通過查詢和比較寫數據寄存器和自己的CPUID，以確定是否獲得訪問共享資源的權限。沒有獲得權限，則等待或者退出；獲得權限后，對共享資源訪問，訪問結束后釋放鎖。其在系統中的連接如圖3所示。

圖3 Mutex連接方式

xps_mutex連接到PLB0和PLB1總線上，初始化時需要對其地址進行配置。在設計過程中發現，由于Xilinx的軟件設計問題，EDK10在頭文件xparameters.h中不能正常生成SPLB1的地址，表現為軟件自動生成的SPLB1和SPLB0的地址相同，會造成Mutex初始化失敗。因此在初始化Mutex時，切勿直接使用XMutex_LookupConfig()函數。PPC_1初始化Mutex的過程如下：

2.3 系統測試結果

2.3.1 共享串口測試

設置超級終端，連接JTAG電纜，選中Download Bitstream將比特流下載到目標板上。通過共享串口，兩個CPU分別輸出其工作狀態。輸出結果如圖4所示。

圖4 PowrPC_0測試DDRRAM的串口輸出

其中CPU(0)輸出私有存儲器SDRAM的測試正確信息，說明PPC_0正常工作。

同時觀察板上 LED顯示，led_0、led_2和 led_1、led_3呈現交替閃爍狀態，說明PPC_1及外設LED工作正常。

2.3.2 共享存儲器讀寫測試

SSHM_READFLAG為CPU讀寫狀態指示。SSHM_READFLAG為 0時，PPC_0進行寫操作；為 1時，PPC_1進行讀操作。共享存儲器的讀寫操作測試結果如圖5所示。

PPC_0對共享BRAM進行寫數據操作，數據依次為0～4，每次寫操作完成后將 SSHM_READFLAG置 1。PPC_1在PPC_0每次數據操作完畢后，檢測到SSHM_READFLAG為1時進行讀數據操作，操作完成后置SSHM_READFLAG為0。

圖5 SHARE_BRAM測試:PPC_0寫數據，PPC_1讀數據

本文完成基于Virtex-II pro開發板的雙核PowerPC系統的構建，提高板上資源利用效率。系統通過Mutex的互鎖機制完成對共享資源的控制。共享串口輸出調試結果，解決了開發板的單串口不易調試的問題；通過共享BRAM進行數據交換，可以實現系統的并行協同處理；直接下載比特流即可實現雙核的系統運行，調試和系統運行更為方便。該系統為使用Virtex-II Pro開發板進行雙核系統設計提供了參考價值。

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