雙核處理器AMP模式在電力設(shè)備控制中的應(yīng)用

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(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

引 言

電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備是一種專用嵌入式系統(tǒng)，一般由嵌入式處理器完成保護(hù)、測(cè)控、人機(jī)通信功能。這類裝置需要實(shí)現(xiàn)兩類功能：其一是通信和人機(jī)接口，通常包括以太網(wǎng)TCP/IP通信、UART通信、通信協(xié)議處理、LCD顯示控制、磁盤存儲(chǔ)等功能；其二是實(shí)時(shí)性計(jì)算控制，主要用于電氣量的實(shí)時(shí)采樣和分析計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能有較高要求。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備通常使用嵌入式CPU(例如ARM、PowerPC)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)(例如VxWorks、Linux)實(shí)現(xiàn)第一類功能，使用DSP裸機(jī)系統(tǒng)(Bare Metal)實(shí)現(xiàn)第二類功能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，多核處理器芯片已成為市場(chǎng)上的主流，出現(xiàn)了類似Zynq-7000系列集成雙核ARM和FPGA的高度集成SoC器件。本文在同一片ARM雙核處理器SoC芯片Zynq-7000上實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱多處理模式(AMP)，其中一個(gè)CPU核心上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，與此同時(shí)另外一個(gè)CPU核心上運(yùn)行裸機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)軟硬件整體設(shè)計(jì)

1.1 Zynq-7000 SoC芯片簡(jiǎn)介

Zynq-7000是Xilinx公司的SoC芯片，片上集成了ARM Cortex-A9雙CPU核心處理系統(tǒng)和FPGA。除此之外，Zynq-7000還集成了片內(nèi)RAM(OCM)、DDR接口，以及GPIO、UART、以太網(wǎng)控制器、USB、SPI、I2C、SD卡控制器等多種外設(shè)接口[1]。

1.2 硬件整體設(shè)計(jì)

基于SoC的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。Zynq-7000 SoC外接DDR存儲(chǔ)器(作為主存)和SPI Flash存儲(chǔ)器(作為程序和數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ))構(gòu)成最小系統(tǒng)。另有片上的以太網(wǎng)控制器和UART外接相應(yīng)電路作為通信、調(diào)試之用。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

1.3 軟件整體設(shè)計(jì)

在本方案中，Zynq-7000 SoC集成了兩個(gè)CPU核心：CPU0和CPU1，工作在AMP模式。其中CPU0上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，CPU1上運(yùn)行裸機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)合理的資源分配，兩者并行運(yùn)行互不干擾。

本方案的啟動(dòng)流程是：CPU0按照正常的Linux啟動(dòng)流程啟動(dòng)，此時(shí)CPU1處于禁用狀態(tài)。CPU0啟動(dòng)完成后，在Linux環(huán)境下可加載CPU1程序并啟動(dòng)CPU1。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中CPU0可隨時(shí)復(fù)位CPU1、重新加載CPU1程序并重新啟動(dòng)CPU1。

本方案通過(guò)配置ARM中斷控制器(GIC)的方法實(shí)現(xiàn)了不同中斷在兩個(gè)CPU核心之間的分配，少數(shù)電力二次應(yīng)用相關(guān)的專用中斷由CPU1響應(yīng)，其它外設(shè)(例如以太網(wǎng)控制器、UART、SPI等)的中斷由CPU0響應(yīng)。

2 CPU1加載啟動(dòng)方案

Xilinx提供了一種在Linux環(huán)境下通過(guò)remoteproc驅(qū)動(dòng)程序加載CPU1裸機(jī)程序并啟動(dòng)CPU1的方法[2]。remoteproc本身較為復(fù)雜,存在諸多不穩(wěn)定因素[3]。此外remoteproc要求裸機(jī)程序以固件的形式編譯進(jìn)內(nèi)核模塊，這使得裸機(jī)程序與Linux源代碼緊密耦合。不同功能的電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備需要多樣化的CPU1裸機(jī)程序，remoteproc的這一限制不利于裸機(jī)程序的開發(fā)和維護(hù)。

針對(duì)電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)潔的方案，能夠在Linux用戶態(tài)下動(dòng)態(tài)加載啟動(dòng)CPU1的裸機(jī)程序。具體步驟如下：①操作寄存器復(fù)位CPU1；②加載CPU1裸機(jī)程序；③操作寄存器重新啟動(dòng)CPU1。

上述步驟可重復(fù)進(jìn)行，每次可按需為CPU1加載不同的裸機(jī)程序。

開發(fā)Linux內(nèi)核模塊，提供字符設(shè)備/dev/dsp。Linux用戶空間程序通過(guò)調(diào)用字符設(shè)備/dev/dsp的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)進(jìn)行上述各步驟操作。

2.1 操作寄存器復(fù)位CPU1

寄存器A9_CPU_RST_CTRL用于復(fù)位和啟動(dòng)CPU核心[1]，如表1所列。

表1 A9_CPU_RST_CTRL寄存器

向A9_CPU_RST_CTRL寫入值0x22使CPU1進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。將此操作封裝進(jìn)字符設(shè)備/dev/dsp的ioctl系統(tǒng)調(diào)用，用戶態(tài)程序通過(guò)調(diào)用ioctl命令字0x6501控制CPU1復(fù)位。

2.2 向DDR加載CPU1裸機(jī)程序

系統(tǒng)預(yù)留出部分DDR空間給CPU1使用，Linux不會(huì)占用此處空間。本方案使用的硬件平臺(tái)共有512 MB DDR空間，分配情況如表2所列。

表2 內(nèi)存分配

為使Linux避開CPU1專用內(nèi)存區(qū)域，Linux啟動(dòng)時(shí)傳入?yún)?shù)“mem=64M@0x00000000 mem=352M@0x0A000000”。

CPU1專用內(nèi)存區(qū)域位于內(nèi)存空間中部而不是末尾，目的是將來(lái)可能會(huì)開發(fā)不同DDR容量的硬件平臺(tái)，使用這種分配機(jī)制可令CPU1占用的內(nèi)存地址保持不變，進(jìn)而保證CPU1裸機(jī)程序兼容不同DDR容量的硬件平臺(tái)。

Linux用戶空間程序可調(diào)用字符設(shè)備/dev/dsp的mmap系統(tǒng)調(diào)用，將CPU1專用內(nèi)存區(qū)域映射到本地用戶空間。因CPU1復(fù)位重新啟動(dòng)后緩存未使能，為保證程序的正確性，此映射為no cache方式。

CPU1裸機(jī)程序鏡像以ELF文件形式存放在Flash存儲(chǔ)器上。ELF文件是GNU工具鏈的默認(rèn)輸出格式，便于生成和管理，其內(nèi)部格式如圖2所示[4]。

圖2 ELF格式

Linux用戶空間程序按照?qǐng)D2右視圖解析ELF文件，根據(jù)Program header table遍歷每一個(gè)segment，將segment的內(nèi)容加載到已通過(guò)mmap映射到本地用戶空間的CPU1專用內(nèi)存區(qū)域。

圖3 ICD IPTR寄存器

Flash存儲(chǔ)器上可存放多個(gè)ELF文件，用戶空間程序每次可按需加載不同的ELF文件。

2.3 操作寄存器重新啟動(dòng)CPU1

CPU1復(fù)位重新啟動(dòng)后，程序指針(PC)值為0x0000 0000，即從內(nèi)存地址0x0000 0000開始執(zhí)行指令。提前向內(nèi)存地址0x0000 0000處寫入如下小段程序：

0xE59F0000,

/*ldr r0,[pc];+8 bytes*/

0xE12FFF10, /*bx r0 */

0x04000000

此段程序的功能是令CPU1跳轉(zhuǎn)到裸機(jī)程序加載的入口地址處執(zhí)行。查看Zynq-7000 Linux內(nèi)核鏈接腳本可知，0x0000 0000地址開始的4 KB內(nèi)存不會(huì)被Linux訪問(wèn)，所以此操作不會(huì)影響CPU0的Linux運(yùn)行。與參考文獻(xiàn)[3]提供的方法相比，本方案更加簡(jiǎn)潔，且不會(huì)占用OCM空間。

向A9_CPU_RST_CTRL寫入值0x00使CPU1脫離復(fù)位狀態(tài)開始啟動(dòng)。將此操作封裝進(jìn)字符設(shè)備/dev/dsp的ioctl系統(tǒng)調(diào)用，用戶態(tài)程序通過(guò)ioctl命令字0x6502調(diào)用控制CPU1啟動(dòng)運(yùn)行。

2.4 L2緩存一致性操作

按照第2.1～2.3節(jié)的步驟重復(fù)加載啟動(dòng)CPU1，多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)CPU1出現(xiàn)偶發(fā)性的程序崩潰問(wèn)題。

進(jìn)一步調(diào)試發(fā)現(xiàn)，CPU1程序變量有時(shí)會(huì)意外改變。排除其它因素的影響后，猜測(cè)此現(xiàn)象與L2緩存有關(guān)。在Zynq-7000的雙核ARM系統(tǒng)中，兩個(gè)CPU核心擁有各自的L1緩存，所以CPU1復(fù)位時(shí)CPU1的L1緩存隨之復(fù)位。L2緩存被兩個(gè)CPU核心共享，CPU1復(fù)位時(shí)L2緩存不會(huì)復(fù)位。CPU1復(fù)位前某些變量可能已映射到L2緩存，重新啟動(dòng)后若上述位置的L2緩存發(fā)生write back，CPU1程序的變量值就會(huì)意外改變，這有可能造成程序崩潰。

為證實(shí)上述猜想，在第2.1節(jié)的復(fù)位CPU1操作后調(diào)用ARM Linux內(nèi)核提供的outer_flush_range函數(shù)flush L2緩存，解除L2緩存與主存的映射關(guān)系。增加該措施后，再重復(fù)加載啟動(dòng)CPU1，沒(méi)有再出現(xiàn)CPU1程序崩潰問(wèn)題。

3 中斷分配

ARM處理器通過(guò)GIC模塊進(jìn)行中斷配置和中斷響應(yīng)。GIC的ICD IPTR寄存器可配置特定中斷由CPU0或CPU1響應(yīng)[2]，如圖3所示。

Linux啟動(dòng)時(shí)傳入?yún)?shù)“maxcpus=1”，此參數(shù)限制Linux在CPU0上運(yùn)行，Linux下使能的外設(shè)中斷全部分配到CPU0。CPU1啟動(dòng)后，配置ICD IPTR將CPU1專用的中斷分配給CPU1。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

模擬電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備的典型工作模式，為Zynq-7000片上集成的FPGA編寫程序，產(chǎn)生周期為250 μs和1000 μs的兩個(gè)周期中斷，分別記為中斷A和中斷B。

在CPU1裸機(jī)程序中響應(yīng)中斷A和中斷B。在中斷A服務(wù)程序中翻轉(zhuǎn)一個(gè)GPIO(記為GPIO X)；在中斷B服務(wù)程序中翻轉(zhuǎn)另外一個(gè)GPIO(記為GPIO Y)。

使用本方案提供的方法加載運(yùn)行CPU1的裸機(jī)程序，使用示波器觀察GPIO X和GPIO Y的電平波形。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

示波器觀測(cè)到的波形如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

示波器捕獲到周期為250 μs和1000 μs的穩(wěn)定波形，說(shuō)明CPU1裸機(jī)程序加載成功且正確響應(yīng)中斷。多次重復(fù)加載CPU1程序，圖4波形能夠穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)。

結(jié) 語(yǔ)

[1] Xilinx Inc.Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual [EB/OL].[2018-03].https://www.xilinx.com/support/documentation/user_g'uides/ug585-Zynq-7000-TRM.pdf.

[2] Xilinx Inc.Zynq AMP Linux FreeRTOS Guide [EB/OL]. [2018-03].https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/petalinux2014_2/ug978-petalinux-Zynq-amp.pdf.

[3] 李鑫志,戈志華,劉向明.基于ARM平臺(tái)AMP架構(gòu)下從核重復(fù)加載設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2017(1)：218-221.

[4] TISCommittee.Portabie Formats Specification,Version 1.1. Executabie and Linkabie Format(ELF) [Z].1995.