基于NiosII的SOPC多处理器系统设计方法
4 NiosII多处理器系统设计实例
下面将利用SOPC Builder建立一个基于标准模板的3处理器、共享片上存储器的NiosII系统,之后在NiosII IDE中为每个处理器建立一个软件工程。系统功能是：3个CPU的软件将产生要显示的消息。使用硬件牛互斥核将所产生的不同消息放在共享的消息缓冲区中。 cpul将连续检查缓冲区中的新消息,如果发现新消息,就通过jtag_uart显示出来。
实例的开发环境是QuartuslI 5.0或以上版本[2],开发套件CycloneII Edition和nioslI_cycloneII_
4.1 创建硬件系统
在标准硬件实例standard.qp的设计基础上,增加2个处理器、2个定时器和1个硬件互斥核组件;另外增加1个消息缓存区message_buffer_ram(片上RAM),用作3个处理器的消息缓存区。按如下步骤连接共享资源：
① 使用连接矩阵,将SDRAM连接到每个处理器的指令和数据主端口。允许3个处理器访问SDRAM。
② 将ext_ram_bus莲接到每个处理器的指令和数据主端口。允许3个处理器访问外部RAM和Flash。
③ 将message_buffer_ram连接到每个处理器数据主端口。允许3个处理器访问该存储器。
④ 去除在message_buffer_ram和cpul指令主端口之间的缺省连接。
⑤ 选择System→Auto-Assign Base Addresses,为每个外设分配一个唯一的基地址。
完成以上操作后,系统配置如图1所示。3个处理器的数据主端口与共享存储器的同一从端口连接。因为cpul、cpu2和cpu3在物理上能够同时将数据写到共享存储器中,软件必须仔细设计以保证存储在共享存储器上数据的完整性。注意：图1所示的系统配置中,只有cpul的数据主端口与jtag_uart相连。
最后,为3个CPU设置复位和异常地址,创建和编译系统,并下载FPGA的设计文件.sof文件到开发板。
4.2 为多处理器系统创建软件
在NiosII IDE[3]环境下,为3个处理器系统分别创建6个软件工程,为每个处理器创建一个应用工程和一个系统库工程。之后对软件工程进行编译、运行和调试。
软件使用硬件Mutex共享一个消息缓存区。3个处理器分别写消息到消息缓存区(count)且循环加1。cpul读消息且通过jtag_uart显示消息。每个处理器运行同样的C文件,但处理器的操作稍有不同。这是通过使用Ni-osII的cpuid实现的。在NioslI处理器系统中,某个处理器通过写其cpuid控制寄存器的值到Mutex寄存器的OWNER域来对Mutex加锁。cpuid寄存器保持一个静态值,在多处理器系统中,该值唯一地识别一个处理器,且在系统创建时确定。软件执行某个处理器的函数时,首先检查处理器的cpuid,如果cpuid正确,则执行相应函数。工程中的文件为 hello_world_multi.c,其中将信息写入缓冲区的功能由以下程序段实现：
如果将信息从jtag_uart输出,那么程序首先判断id是否等于3。因为硬件设计时,只有cpul与jtag_uart相连,而cpul的id的值为 3(在系统创建时确定),cpu2、cpu3的id分别为1和2,且id的值等于cpuid控制寄存器的值加1,可在NiosII IDE环境下读取cpuid控制寄存器的内容。其信息输出的程序如下：
在System Library属性中,第1个工程选择jtag_uart为stdin、stderr和stdout,选择cpul_timer为the Systemclock timer;第2个工程选择cpu2_timer为System clocktimer,验证stdin、stderr和stdout为null,因为这个处理器不与jtag_uart连接;第3个工程选择 cpu3_timer为Systemclock timer,其余同工程2。验证这3个工程的SDRAM被选择为Program memory、Read-only data memory、Read／write data memory、Heap memory和Stack memory。
分别经编译、下载、运行后,在终端上显示这3个处理器产生的消息,如图2所示。
结 语
结果表明,3处理器系统通过硬件互斥核,实现了存储器的共享。在此实例的基础上,按同样的方法添加处理器及相应的硬件组件,并开发相关应用软件,即可实现满足不同需求的多处理器系统。