多处理器系统中NiosII软核处理器启动方案

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引言 

       Nios II 处理器是Altera公司设计的一款基于FPGA的32位RISC嵌入式软核处理器,具有32位指令集、数据通路及地址空间,是其可编程系统芯片（SOPC）的核心。Nios II系统采用Altera公司设计的一套Avalon总线交换结构,Avalon总线上的所有信号都与系统时钟同步且地址、数据和控制信号使用独立的端口;支持各种传输方式;采用从端口仲裁机制,对于有多个主设备的系统可以提高系统的吞吐量。

       采用基于FPGA 的Nios II软核处理器很容易在嵌入式系统设计中实现多处理器系统。在这样的多处理器系统中,一般外部处理器做主处理器,Nios II处理器为从处理器,两个处理器有共用的存储器可以进行数据交互。本文将通过对Nios II系统启动的研究设计一方案,用外部处理器配置FPGA,加载程序代码到Nios II系统中的程序存储器中,最终完成Nios II系统的启动。

       在多处理器系统的启动方案 

       在多处理器系统中,为了降低成本,可以省去Nios II的一个非易失性存储器外设,如flash、EPROM等,Nios II处理器通过Avalon交换结构连接易失性存储器,一个外部主处理器及一些必要的接口外设。因此延迟Nios II的启动是必要的,解决办法是在Nios II系统中设计一启动延迟模块,把此模块的基址设为Nios II的复位地址。通过此模块,Nios II处理器上电复位后启动被延迟,直到数据被传输完毕,外部处理器通过启动延迟模块向Nios II发送一个可以开始进入程序存储器的指令,然后跳转到程序存储器开始执行,完成后续的设备初始化及应用程序的执行。 

       外部处理器通过时序转接桥连接在Avalon交换结构上和Nios II处理器共同构成的一个双处理器系统如图1所示。黑色箭头表示Nios II启动延迟模块是通过Avalon交换结构连接的。

                  
                          图1  多处理器系统的启动方案结构 

       启动方案的硬件设计 

       启动延迟模块如图2所示,它有两个从端口S1、S2：S1一端连接在启动延迟模块中的ROM单元上,另一端通过Avalon总线连接在Nios II处理器的指令主端口;S2一端连接在启动延迟模块的控制寄存器上,另一端通过Avalon总线连接在外部处理器和Nios II处理器的数据主端口。图2中箭头的方向表示数据的流向。

                 
                             图2 Nios II启动模块的硬件结构 

       在此需做两点说明：

* 在启动延迟模块中有两个寄存器,这两个寄存器定义如下： 

      

说明：控制寄存器1用于存放Nios

II程序存储器中_start程序的入口地址。控制寄存器2中跳转标志位（31_1位保留） 。

       这两个寄存器值由外部处理器来写入,其中偏移量为0的寄存器存放Nios II程序存储器中_start程序的入口地址,此值由外部处理器写入;偏移量为1的寄存器只用了第0位,其它位保留,当外部处理器配置好Nios II处理器系统后,会向此寄存器的第0位写入1,否则保持为0。

* ROM中的数据是外部处理器在配置FPGA的时候写入的,因此只要FPGA配置完成后,启动代码就存放进ROM中了。ROM的大小要根据启动程序代码的大小来决定,设计中应尽可能降低这段程序的代码存储量。

       下边是用Verilog 硬件描述语言编写的启动延迟模块的硬件代码的主体框架结构：
／／ＲＯＭ读端口（Ｓ１）：
boot_rom       the_boot_rom
(
.clock    (s1_clk),　　　file//s1_clk为来自Avalon总线模块上的S1端口的时钟信号
.aclr    (s1_reset),　 file//s1_reset为来自Avalon总线模块上的S1端口的复位信号
.q       (s1_readdata),　file//s1_readdata为流向Avalon总线模块的S1端口的32位数据
.address  (s1_address)　　file//s1_address为来自于Avalon总线模块的S1端口的地址
);
file//控制寄存器读写端口（S2）：
control_register   the control_register
(
.clk         (s2_clk),　　file//s2_clk为来自Avalon总线模块上的S2端口的时钟信号
.reset       (s2_reset), 　file//s2_reset为来自Avalon总线模块上的S2端口的复位信号
.read        (s2_read), 　file//s2_read为来自Avalon总线模块上的S2端口的读使能信号
.write       (s2_write), 　file//s2_write为来自Avalon总线模块上的S2端口的写使能信号
.schipselect  (s2_chipselect), file//s2_chipselect为来自Avalon总线模块上的S2端口的片选信号
.address     (s2_address),　file//s2_address为来自Avalon总线模块上的S2端口的地址　
.readdata    (s_readdata),　 file//s2_chipselect为流向Avalon总线模块上的S2端口的32位读数据
.writedata   (s2_writedata)　file//s2_writedata为来自Avalon总线模块上的S2端口的32位写数据
); 

       启动方案的软件设计 

       启动方案的软件设计目标是当系统复位后,在外部处理器向Nios II程序存储器和数据存储器传输数据的过程中,Nios II处理器运行要受到外部处理器的控制。当一切就绪后,外部处理器发出一条释放Nios II处理器的命令,接下来Nios II处理器就可以正常运行了。 

       软件部分主要就是存放在启动延迟模块中ROM的代码,此代码主要是检测启动延迟模块中控制寄存器2的第0位是否为1。若为1,则跳转到控制寄存器1中所存储的地址处执行。若设控制寄存器的基址为CONTROL_REG_BASE,为了减少代码量,这段代码容易用Nios II的汇编指令来实现,代码部分在此从略。 

       最后本方案在我们自己设计的一块开发板上经过测试,能够正确完成Nios II 处理器的启动。 
       
       结语 

       采用多处理器的系统虽然可以提高系统的性能,但传统的多处理器系统一般只出现在工作站及高端PC上,在嵌入式系统中由于其设计代价太高很少采用。本文设计了一种在多处理器系统中的Nios II软核处理器的启动方案,这个方案在外部处理器向Nios II的程序存储器和数据存储器加载数据时,可以控制Nios　II处理器的启动。

       参考文献：
1.  Creating Multiprocessor Nios II Systems Tutorial.2005

[1]