用双MicroBlaze监控汽车应用

基于软核处理器的多处理器片上系统(MPSoC)设计正日益风靡于嵌入式系统设计领域。为了向多个处理器提供一致的数据，存储区架构和管理已成为设计工作中非常重要的组成部分。在原型汽车应用中，我们准备构建一个双MicroBlaze系统，用于在两个MicroBlaze上支持赛灵思(Xilinx)公司嵌入式处理器内核Xilkernel。

在开发自主汽车原型转向平台前，我们根据Xilinx技术规范、参考设计和双处理器设计套件，研究出一套通用的设计工作流和工艺。该设计结合了多种功能，比如：防碰撞、行车道检测和自动停放。Xilkernel设计提供了诸如Posix线程这样的库函数，可重复利用基于QNX的防碰撞应用以及对其进行分割。

紧密连接

我们构建了一个紧密连接的处理器系统，内含两个配置完全相同的MicroBlaze处理器，在Harvard架构中，每个处理器都与一个16KB的局部块RAM(BRAM)相连(图1)。另外，这两个处理器还与一个128MB的DDR存储器模块相连，用于存储代码和数据交换。Xilinx平台工作室(XPS)Mutex内核负责对两个MicroBlaze共享的存储器访问进行同步。两个处理器还能通过一对快速单工链路(FSL)直接通信，FSL支持主/从和流水线处理器设计概念。采用FSL实现这两个MicroBlaze的互联，而不采用XPS Mailbox实现，可以提高性能，并降低资源耗用。

图1：面向XtremeDSP开发平台的双MicroBlaze Xilkernel配置。

两个定时器外设负责为Xilkernel的调度实现提供中断源。开发阶段的第一步，我们通过UART接口将激光扫描仪连接到系统，为防碰撞系统提供目标检测。为以中断控制器而非直接连接的时钟中断部署Xilkernel，我们在板支持包(BSP)设置中调整了与Xilkernel相关的参数sysintc_spec。

我们把两个MicroBlaze连接到MicroBlaze调试模块进行调试，并通过microblaze_1的JTAG UART输出ST.DIO。我们分析了系统的两种实现方案，一种用XtremeDSP开发平台搭配Spartan-3A DSP 1800A FPGA，另一种用ML605评估板搭配Virtex-6 XC6VLX240T FPGA。

存储器和高速缓存架构

多端口存储器控制器(MPMC)通过Xilinx缓存链路(XCL)将Microblaze与外部DDR2存储器相连，并分配直接存储访问。由于采用统一的存储器架构，每个处理器具有相同的存储延迟和访问方式。我们为每个MicroBlaze配置了8KB指令和8KB数据缓存，均连接到单一MPMC PIM。这种布线方式可以让我们将最多8个MicroBlaze关联到一个MPMC。

单一MPMC地址总线连接和数据总线连接，会导致MPMC与外部存储器之间出现数据流和取指瓶颈。但内部的时间片轮转仲裁，能够保证所有请求都能顺序访问存储器。另外，MicroBlaze还能通过处理器局部总线(PLB)保持与MPMC的连接，以提供对无缓存共享存储区的访问。

在多处理器环境中，确保数据高速缓存的一致性非常重要。因此，我们将外部存储的地址范围分为三段(图2)。每个MicroBlaze占有自己的地址空间，而只有数据存储在其特定的区域，XCL才会缓存数据。第三个地址空间提供一个独立段，可通过PLB访问，而用于交换未缓存的共享数据。通过在链接脚本中预定义变量，软件工程师可以得到一个指向该段基址的指针。我们用写通策略配置高速缓存，因为如果采用回写策略，处理多个写访问会导致更多延迟。

图2：DMX系统的内存印象图。

连接器脚本的配置

连接器脚本的作用是，根据硬件设计信息，正确的板支持包和软件应用本身，来定义处理器系统的存储分段。XPS工具负责为每个MicroBlaze的复位、中断和异常向量分配固定段，这些向量将存储在处理器的BRAM中。常用的方法是把.heap和.stack段也存储在局部BRAM中，以便在执行线程的时候快速访问局部变量。

考虑到实时操作系统(RTOS)具有众多库函数，.text和.data段对BRAM显得过大，因此，我们将这些函数存放在外部存储器中。在多处理器系统中，如果多个处理器需要对相同存储区域寻址，这样做会导致问题复杂化。因此，开发人员必须手动调整存储分段。如前文所述，两个处理器只缓存自己专用的存储区，并共享对代码段和数据段之外定义区域的访问。通过PLB请求XPS Mutex，可对该共享存储区域进行同步访问，从而实现在两个MicroBlaze之间交换数据。为了在主/从或者流水线处理器系统中实现直接通信和同步，我们采用了FSL。这样可以避免在访问共享存储器时，因多次存储器总线分配而导致更高的访问延迟。

我们首先使用SDK链接脚本生成程序创建链接脚本。该脚本为文本文件，由三段组成，定义了堆和栈的大孝存储区以及每个段的地址。下段代码描述了双MicroBlaze Xilkernel系统Microblaze_0的链接脚本。我们调整了代码段和数据段存储