基于双MicroBlaze软核处理器的SOPC系统

设计了一款基于双MicroBlaze软核处理器、面向嵌入式领域的SOPC系统，在信息处理繁忙的情况下，实现两软核处理器之间的同步、通信和中断功能，提高信息吞吐率和系统灵活性，降低设备尺寸。两处理器之间通过Mutex模块实现同步功能，通过Mailbox模块实现通信和中断功能，通过共享BRAM模块实现大块通信功能，并进行了有效的功能验证。该SOPC系统在XUPV5LX110T开发板上得到验证。测试结果表明，两软核处理器之间有效地实现了同步，通信和中断功能，达到了预期的效果，验证了方案的有效性。

随着时代的发展，单核片上可编程系统SOPC（System On a Programmable Chip）解决复杂问题的能力与处理速度已很难满足用户的需求，面向多处理器SOPC系统的设计成为片上系统发展的必然趋势[1]。具有高密度、大容量逻辑的FPGA（Field Programmable Gate Array）的出现使得高性能片上多处理器的设计成为现实。目前，片上多核系统的设计已有一定发展，但在处理器间通信和中断方面仍需进一步的研究。本文在处理器间通信和中断控制方面进行了深入的研究。

MicroBlaze是一个被优化过的可以在Xilinx公司FPGA中运行的软核处理器，可以和其他外设IP核一起完成可编程系统芯片的设计。它具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点，广泛应用于通信、高端消费市场等领域[2]。MicroBlaze处理器采用RISC（Reduced InstrucTIon Set Computer）指令集结构和哈佛存储结构，指令、数据总线位宽均为32位。本文MicroBlaze处理器采用面积优化，流水线分为3级，即取指、译码和执行，减少了硬件开销[3]。

1 系统设计 1.1 双MicroBlaze SOPC系统结构

双MicroBlaze SOPC系统结构图如图1所示。从图1中可知，整个SOPC系统可以分为两个处理器子系统。系统采用两个PLB（Processor Local Bus）v46总线作为系统的通信结构，所有的模块都是直接或间接地连接到这两个总线上[4]。两个总线上均挂有用于处理器间通信和同步的核，即 Mailbox和Mutex，因此两个处理器并不是完全独立的。表1列出了SOPC系统包含的主要模块。

表1中的BRAM有两种用途：一是作为单个处理器的私有存储器用来存储指令和数据，它通过存储器局部总线LMB与处理器相连；二是作为两个处理器之间的共享存储器（Shared Memory）用作通信模块进行数据传输。它所传输的数据量比Mailbox大很多，特别是在传输信息量大于千字节时，共享存储器是最常用的通信模块[5]。

 

图1 双MicroBlaze SOPC系统结构图

表1 SOPC系统的主要模块

1.2 硬件设计

1.2.1 硬件结构
图1所示的SOPC系统的整体结构不仅和处理器的数目有关，还和系统中模块的配置及功能有关，外部存储器和外围设备的不同配置都会影响系统的结构和功能[1]。具体如下：

① SOPC系统通过各自独立的PLBv46总线隔离两处理器子系统，可以确保两个处理器系统在执行各自的处理器事务时不会相互干扰。

② 共享模块（例如MPMC），采用多端口结构，这些多端口模块使多个处理器在访问共享模块时可以并行进行。

③ 两个独立的MicroBlaze处理器Mb_0和Mb_1，通过共享部件连接在一起，这些共享部件使得两个MicroBlaze处理器之间以各种方式通信。

④ 此SOPC系统中有两个MicroBlaze处理器软核，其中任何一个MicroBlaze都可以灵活地被其他类型的处理器所代替，比如PowerPC，因此处理器的选择是非常灵活的。

⑤ 两个处理器可以共享互斥访问设备，比如串口UART、串行外设接口SPI（Serial Periphieral Interface）等，这种情况需要在没有直接连接此外设的总线和直接连接此外设的总线之间提供一个系统总线桥[6]。

⑥ 关键的外围设备是外部存储控制器MPMC，它最多提供8个端口，可以通过XCL（Xilinx Cache Link）连接处理器局部存储器（BRAM），通过PLBv46总线连接到系统中，因此，可以将1~4个处理器同时连接到MPMC控制器上。

⑦ 两个处理器之间的Mailbox和Mutex有简单通信的功能，主要体现在处理器之间的通信和同步上。

1.2.2 存储器映像
当程序没有被加载或者运行的时候，它以文件的形式存放在硬盘上。当它被下载到MPMC内存中的时候，系统会自动从MPMC内存中划分出一段区域，用来将这个磁盘上的文件映射到内存相应的位置上。此时这块内存中的数据就是磁盘文件的一个拷贝。存储器映像就是指和被加载的磁盘文件相对应的一块内存区域。由于MPMC存储器和外围设备是统一编址的，两者的地址范围不可能重叠，因此直接或者间接连接到处理器上的外围设备地址的分配决定了外部存储器的地址空间[7]。

一般而言，当多个处理器共用一条总线时，存储器、外围设备和共享元素是密不可分的，在本文设计的处理器系统中，每一个处理器都有自己独立的系统总线，因此，所有的存储器和外围设备与共享元素都是分开的。也就是说，不同总线上的相同外围设备可以有相同的地址范围。在每一个处理器子系统中，为了能够运行可执行文件，对存储器映像有一些要求。每个处理器都必须将自己的可执行文件加载到各自私有的MPMC地址空间中，可执行文件加载地址不能重叠。在私有存储器里必须有各自的复位和中断存储器映像，这种私有存储器可以通过本地存储器接口（XCL）或者PLBv46总线接口连接起来。一旦私有存储器与其他总线连接完毕，XPS的地址发生器会为每一个MicroBlaze处理器子系统（包括外围设备和存储器）生成适当地址范围的存储器映像。