摘要：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA解決方案的多核處理器系統(tǒng)，整體上提高了系統(tǒng)性能，解決了單核處理能力提升受到的制約。通過(guò)對(duì)多核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和核間通信技術(shù)的研究，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)利用互斥核實(shí)現(xiàn)資源共享的雙Nios II軟核處理器系統(tǒng)，并在Altera公司的FPGA開發(fā)板DE2上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的雙核系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　引言

　　多核處理器技術(shù)的研究源于工程師們認(rèn)識(shí)到，在提高單核芯片速度的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量卻無(wú)法帶來(lái)相應(yīng)的性能改善，傳統(tǒng)的以提高主頻提升性能的方法，會(huì)使處理器散發(fā)出巨大的熱量，其性價(jià)比也令人難以接受，速度稍快的處理器價(jià)格更高。因此多核芯片應(yīng)運(yùn)而生，2001年IBM公司推出第一個(gè)商用的雙核RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器Power4。

　　目前關(guān)于多核技術(shù)的研究主要包括核結(jié)構(gòu)研究(同構(gòu)還是異構(gòu))、程序執(zhí)行模型、Cache設(shè)計(jì)(多級(jí)Cache設(shè)計(jì)與一致性問(wèn)題)、核間通信技術(shù)、總線設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)(任務(wù)調(diào)度、中斷處理、同步互斥)、低功耗設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器墻、可靠性及安全性設(shè)計(jì)。本文利用互斥核和共享存儲(chǔ)器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多核系統(tǒng)共享資源的訪問(wèn)，使用Quartus II的Sopc Builder構(gòu)建一個(gè)雙NiosII軟核處理器系統(tǒng)，最終在Altera的FPGA開發(fā)板DE2上驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　與單核處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所不同，在設(shè)計(jì)雙核系統(tǒng)時(shí)有若干問(wèn)題需要重新考慮：如何實(shí)現(xiàn)多處理器核之間的數(shù)據(jù)共享;在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享之后，雙核系統(tǒng)必須提供有效的機(jī)制，以防止共享數(shù)據(jù)被破壞;為了提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，必須仔細(xì)考慮系統(tǒng)任務(wù)的分配和調(diào)度如何進(jìn)行，以免出現(xiàn)進(jìn)程沖突或進(jìn)程閑置，從而影響系統(tǒng)的整體性能。

　　圖1顯示了雙Nios II 嵌入式處理器核系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中有兩個(gè)Nios II處理器核，CPU1作為主要CPU用來(lái)負(fù)責(zé)控制和調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)，CPU2作為從處理器用來(lái)負(fù)責(zé)具體任務(wù)的執(zhí)行。其次，每個(gè)處理器都有獨(dú)立的定時(shí)器作為看門狗使用，以防止處理器進(jìn)入異?；蛩姥h(huán)。此外，連接到CPU1的JTAG-UART接口，用于系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試。片上RAM作為共享存儲(chǔ)器連接到兩個(gè)處理器，提供處理數(shù)據(jù)的共享。而與CPU2相連的UART負(fù)責(zé)將處理結(jié)果傳遞到PC主機(jī)上顯示。

　　2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　在雙核系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)并行處理應(yīng)用程序的任務(wù)，系統(tǒng)必須為雙核提供有效的數(shù)據(jù)處理和信息進(jìn)程的共享機(jī)制。為此，本設(shè)計(jì)為系統(tǒng)配置了兩種存儲(chǔ)器的共享：一種處理器用來(lái)實(shí)現(xiàn)處理器之間狀態(tài)的溝通，另一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)處理數(shù)據(jù)的共享。此外由于兩個(gè)處理器都會(huì)對(duì)共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：在不破壞存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的同時(shí)，如何確保系統(tǒng)正確地進(jìn)行讀寫操作。因此硬件互斥核Mutex被嵌入雙核處理器系統(tǒng)中。Mutex可以確保雙核系統(tǒng)中只能有一個(gè)處理器來(lái)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

　　Mutex核實(shí)質(zhì)上是一種共享資源，提供“測(cè)試和設(shè)置”操作。當(dāng)處理器測(cè)試到Mutex核可用時(shí)，就會(huì)在一個(gè)具體操作中暫時(shí)占有Mutex核，之后當(dāng)處理器完成對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作時(shí)就會(huì)釋放Mutex核，具體過(guò)程如圖2所示。對(duì)共享存儲(chǔ)器的互斥訪問(wèn)是通過(guò)Mutex核的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

　　Altera_avalon_mutex_open()

　　功能：聲明一個(gè)Mutex句柄，允許所有其他函數(shù)訪問(wèn)Mutex核。

　　Altera_avalon_mutex_trylock()

　　功能：試圖鎖定Mutex核，若失敗則立刻返回。

　　Altera_avalon_mutex_lock()

　　功能：鎖定Mutex核，直到成功聲明Mutex核才返回。

　　Altera_avalon_mutex_unlock()

　　功能：解鎖Mutex核

　　Altera_avalon_mutex_is_mine()

　　功能：判斷CPU是否擁有Mutex核

　　Altera_avalon_mutex_first_lock()

　　功能：測(cè)試復(fù)位后Mutex核是否被釋放。