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NiosII多核处理器之间通信技术的研究

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　　引言

　　随着应用领域的扩大，人们对微处理器系统的性能、功耗和成本提出了越来越严格的要求。单纯依靠提升时钟的方法已经不能满足需要，在移动通信、军事应用、消费电子、智能控制设备等领域，多核处理器的解决方案成为一种主流趋势。

　　Altera公司在其FPGA中实现的NiosII处理器是一个用户可配置的通用32位RISC软核微处理器，Nios II 5.0及其以上版本支持多处理器系统的创建和调试。Nios II多处理器，除了软核本身超过200DMIPS的高性能之外，Altera开发用于Nios/NiosII处理器的Avalon参数化接口总线具有友好的多主从仲裁能力，可以有效地实现系统资源共享。在清华－Altera联合实验室的支持下，笔者对NiosII多核处理器之间共享通信的几种可行方案进行研究，并且在自行设计的NiosII开发板上完成设计测试验证，分析比较各种方案的技术特点、优势与不足，提供给不同系统的应用者参考。

　　NiosII多核间几种可行的通信方案

　　双口RAM和PIO核的多核中断通信方案

　　双处理器可采用一个双口RAM和中断信号通过定义某种信息数据结构来进行通信。在NiosII双处理器系统，可以采用FPGA中实现的片上双口RAM和通用IO组件PIO核来实现多核中断通信。通信的中断信号使用PIO组件产生和接收，双核通信的连接如图1所示。由于Avalon总线具有多主从仲裁能力，同一外设可以同时挂载在不同软核上，有访问竞争时由总线自己仲裁决定哪个主方取得从设备访问权，双口RAM和单口RAM均可以通过Avalon总线挂载在多个NiosII软核上，二者的区别在于：双口RAM设备有两套从端口被Avalon总线当作两个设备，双核可以同时对其进行读操作；单口RAM只有一套从端口被Avalon总线当作一个设备，多核对其的读写操作是分时进行的。

　　这里设计双核通过双口RAM和PIO中断进行通信的例程。设计信息交换的数据结构share_msg_buf如表1所示。安装中断程序及终端服务例程如图2所示。

　　通信的关键在于消息标志flag状态的定义：NO_DATA-内存空闲、DATA_IN-有新消息写入、DATA_OUT-新消息已送出，单个软核处理器在存储器空闲(NO_DATA状态)或者有消息进入(DATA_IN状态)将新消息读走之后才能在存储区写入新的消息数据；在自己发的消息还未被对方接收(DATA_OUT状态)时，不做处理，返回继续等待对方接收消息。标志状态的定义从软件上实现了双核对双口RAM的互斥访问，有效防止双核对共享数据的破坏。这种通信方案经过笔者的NiosII双核系统验证测试，消息接收正确。

　　互斥硬核和共享存储的多核查询通信方案

　　Altera在SOPC Builder工具箱中提供具有Avalon接口的互斥硬核Mutex组件来协调共享资源的访问。Mutex核提供一个基于硬件的原子测试和置位(test-and-set)操作，允许多处理器环境下决定软核对Mutex核的使用权，使用Mutex核就可实现多核对相应共享资源(如存储器)的互斥访问。这样多核的通信就可以舍弃双口RAM，使用片上RAM或者片外存储器作为共享存储器，采用查询方式实现。双核通信的设备连接如图3所示，与双口RAM不同，这里的片上RAM仅作为一个设备挂载到Avalon总线上。

　　Altera提供NiosII HAL环境下对Mutex核访问的函数：打开、加锁、解锁、判断Mutex属主等。使用Mutex核控制片上RAM，单个软核每次对片上RAM操作之前都要首先取得Mutex核所有权，操作完之后应立即放弃对Mutex核的所有权，避免单个软核对Mutex核及共享资源的独占。采用前面表所定义的数据结构作为通信的消息，在查询方式下，单个软核需要有任务通过循环不断检查共享数据区标志位flag，等待其它软核送来消息，以便激活自身系统挂起的任务，执行下一步工作。整个流程如图4所示。

　　在循环中使用等待延时，避免了多核对Mutex核资源的不停争用，同时留给处理器一定的消息处理时间，但缺点是延长了通信呼叫和应答的时间，在实时设计中应考虑到延时时长对多核通信的影响。此方案在笔者的NiosII双核系统工程中通过验证。

　　邮箱内核和共享存储的多核阻塞通信方案

　　Altera还提供带Avalon接口的邮箱内核mailbox组件在多核处理器之间发送消息。邮箱内核含有两个互斥体：一个保证对共享存储器的唯一写访问；另一个保证对共享存储器的唯一读访问，它与独立共享存储器一起使用实现多核处理器间的消息队列通信。邮箱内核适于双核间单方向的消息通信，功能相当于FIFO缓冲队列，其传送的消息往往是指向共享内存块结构体的指针，代替实际的数据传输，提高数据交换效率。该系统连接如图5所示。

　　在NiosII HAL环境下对邮箱内核访问的函数有：打开、关闭、获取消息、等待消息、发送消息。在构建邮箱内核组件时，选择可用的共享存储器作为消息队列内存，指定消息队列长度size(不超过存储器容量)及其在存储器中的偏移量Offset。这里选择片上RAM作为共享存储器，将其分为两部分：一部分作为消息队列内存；一部分作为消息指针指向的内存数据结构块。定义内存数据结构如表2所示，头信息info可以作为数据帧的序号，保证数据的按序接收。使用邮箱内核消息队列完成双核间大量数据传输的流程如图6时进行等待；数据接受方处理器处于等待消息的状态，一有消息就接收进来。可以在实时操作系统中单独建立发送数据和接收数据的任务，由于没有中断和查询过程，此方案可以达到单方向很高的数据传输率，在笔者的NiosII系统工程中得到了验证测试。

　　通用串行接口总线的多核通信方案

　　在NiosII多核处理器中可以使用通用串行接口总线如UART、SPI、I2C等进行相互间的通信。这些总线有的是NiosII的通用组件在SOPC Builder中直接添加使用，有的可成熟的第三方组件在SOPC Builder中使用。目前NiosII中可用的几种串行总线如表3所示。

　　几种总线各有优缺点和使用限制，例如UART总线比较通用、工作在异步方式，使用方便，但针对一对一的通信，数据率稍低；SPI总线工作在同步方式，一个主设备可以挂多个从设备，数据率较高，但控制比UART复杂、数据线较多。应根据具体应用选择合适总线。这里以UART总线说明和验证通用串行接口总线完成多核间通信的方案。UART核是Altera提供的NiosII通用组件，实现了一个简单的寄存器映像的Avalon从接口，可以很容易集成到NiosII处理器中，允许主外设(如NiosII软核)通过读写寄存器与其进行通信。UART核至少创建Rxd输入和Txd输出两个IO端口，可根据需要创建CTS输入和RTS输出两个流控信号。这里为每个NiosII软核创建一个无流控波特率为1.152Mbps的UART组件，其发送端口Txd与另外一方的接收Rxd连接。NiosII HAL提供UART系统库驱动程序，可使用ANSC C标准函数或者UNIX风格IO函数访问UART，双核通信流程如图7所示。

　　双核中的数据发送方查询监测输入字符，出现关键字时发送数据，并以结束符结束发送；数据接收方等待用户输入字符命令，如果是关键字则开始接收数据，在收到结束符时结束接收，处理数据。这个方案实现的是数据接收方请求发送，在笔者NiosII系统工程中以1.152Mbps传输大数据量，验证测试没有问题。也可以根据实际需要使用其它方案。

　　PIO核自定义协议的多核通信方案

　　Altera为NiosII提供并行输入/输出PIO核，在Avalon从端口和通用I/O端口之间建立存储器映像接口，PIO组件可配置为输入、输出、输入输出、双向三态四种类型，其中后三种类型可提供信号边沿捕获(Edge Capture)和中断请求。利用PIO并口可将双核连接起来，定义自己的接口形式和通信访问协议进行通信。双核间的互连使用的是FPGA片上逻辑，不占用FPGA的IO引脚，宽度最高32位，同等数据率下效率大大高于串行总线，可使用中断、查询或者二者相结合方式进行通信。这里定义一种PIO通信接口和时序如图8所示。

　　在中断信号PIO_irq的上升沿提出中断申请，启动一次通信，数据传输方将读写标志信号PIO_R/W置高，同时向数据线PIO_D写入数据；数据接收方在相应中断信号后，检测到PIO_R/W信号变高，则读数据线PIO_D获取数据，同时将PIO_R/W置低表明数据已读，可以进行下次数据传送。数据传输方通过将PIO_irq信号置低表明完成一次通信，数据接收方检测到PIO_irq信号为低时停止本次通信。这种中断和查询相结合的方案效率很高，任意一方都可以发起通信，通信的速率取决于NiosII软核对端口读写延时和数据的处理速度或者写数据缓冲区的速度。软件通信流程如图9所示。

　　结语

　　表4对上述各种方案进行了一下比较，分析了每种方案的特点和适用范围。

　　笔者的PDA考评系统项目采用了NiosII双核设计，使用方案三(邮箱内核和共享存储的多核阻塞通信方案)完成双核间的通信。PDA设备作为实验考评系统的客户端，通过蓝牙无线通信与建有学生课程成绩数据库的服务器进行通信，实现实验现场学生成绩的查询、修改、数据文件的传输等功能，系统的功能结构如图10所示。NiosII双核分为两个系统：(1)NiosII人机界面系统。负责管理矩阵键盘按键和LCD显示界面的驱动；(2)NiosII通信主机系统。实现完整的蓝牙协议栈，完成与数据库服务器进行通信的任务。双核之间键盘操作指令和LCD显示数据的交换通过上文所述的方案三——邮箱内核和共享存储的方式实现。