双核系统的基本概念和结构

[导读]‌双核系统的通信接口设计‌是指在双核系统中，设计用于实现两个处理器核心之间数据交换和通信的接口。

‌双核系统的通信接口设计‌是指在双核系统中，设计用于实现两个处理器核心之间数据交换和通信的接口。这些接口确保两个处理器核心能够有效地共享数据和资源，同时保证系统的稳定性和高效性。

双核系统的基本概念和结构

双核系统是指在一个处理器芯片上集成两个独立的处理器核心，每个核心都具有完整的运算能力。这种设计可以显著提高处理器的并行处理能力，从而提升系统的整体性能。双核处理器的工作原理是通过并行总线将两个核心连接起来，实现数据和指令的共享和协调‌1。

双核系统的通信接口设计方法

双核系统的通信接口设计通常包括以下几种方法：

‌共享内存‌：通过共享内存区域，两个核心可以读写相同的数据，实现数据的共享和传递。这种方法简单且高效，但需要解决访问冲突的问题‌2。

‌中断机制‌：利用中断信号来通知一个核心处理来自另一个核心的消息或事件。中断机制可以减少核心之间的直接交互，提高系统的响应速度和灵活性‌2。

‌消息传递‌：通过消息队列或其他通信机制，一个核心可以向另一个核心发送消息或数据。这种方法适用于复杂的交互场景，能够提供更高的灵活性和可靠性‌3。

双核系统的通信接口设计实例

以ARM和DSP双核系统为例，系统设计充分利用了ARM和DSP的各自特点。ARM芯片主要用于控制和少量的数据处理，而DSP芯片则专注于高速的数字信号处理。系统通过共享内存和中断机制实现两个核心之间的通信和数据交换，确保系统的稳定性和高效性‌4。

双核处理器就是在一个处理器基板上集成两个功能相同的处理器核心，即将两个物理处理器核心整合入一个内核中。处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。AMD的双核技术它并不只是简单地将两个Opteron处理器核心集成在一个硅晶片(Die)上，与单核Opteron相比，它增添了“系统请求接口”(System Request Interface，SRI)和“交叉开关”(Crossbar Switch)。它们的作用据AMD方面介绍应是对两个核心的任务进行仲裁、及实现核与核之间的通信。它们与集成的内存控制器和HyperTransport总线配合，可让每个核心都有独享的I/O带宽、避免资源争抢，实现更小的内存延迟，并提供了更大的扩展空间，让双核能轻易扩展成为多核。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。早期的嵌入式系统硬件核心是各种类型的8位和16位单片机;而近年来32位处理器以其高性能、低价格,得到了广泛的应用。近年来,又出现了另一类数据密集处理型芯片DSP。DSP由于其特殊的结构、专门的硬件乘法器和特殊的指令,使其能快速地实现各种数字信号处理及满足各种高实时性要求。随着现代嵌入式系统的复杂度越来越高,操作系统已成为嵌入式系统不可缺少的部分。免费的嵌入式操作系统,如 Linux等,随着自身不断的改善,得到了飞速的发展。Linux是一个免费的、强大的、可信赖的、具有可伸缩性与扩充性的操作系统。Linux实现了许多现代化操作系统的理论,并且支持完整的硬件驱动程序、网络通信协议与多处理器的架构,其源码的公开更有利于操作系统嵌入式应用。

基于上述分析,笔者开发了基于ARM和DSP芯片的双核嵌入式系统。系统充分利用了ARM和DSP的各自特点,既可以使用ARM和DSP芯片进行协同开发,也可以利用ARM或DSP进行独立开发。操作系统选用了Linux,以利于充分发挥系统的效能。

1 系统的总体设计

由于ARM芯片的控制性能较强,在嵌入式系统中ARM主要用于控制和少量的数据处理。这样,一方面要求CPU要低功耗和有足够的时钟频率来运行操作系统,以满足便携式的要求;另一方面也要求其有足够种类的接口,以利于性能的扩展。基于以上考虑,在开发平台中选用HY7202作为CPU。

DSP作为数据运算部分,可以充分发挥其对数字信号处理的独特优势。TI公司的C54xx系列16位定点DSP以其高性价比普遍应用于各类通信、便携式应用当中。考虑到对数字视频和数字图像等大数据吞吐量应用场合的处理要求,选用TI公司的TMS320C5416芯片。其时钟频率最高可达到 206 MHz,系统总体框图如图1所示。

系统软件平台结构如图2所示,软件平台分ARM部分和DSP部分,以及ARM和DSP的接口软件设计部分。ARM部分以Hynix公司PATCH的ARM Linux Version 2.4.18为操作系统,并在此基础之上移植Linux标准库GLIBC、LIBJPG、LIBPNG、IMLIB、LIBWWW、LIBFLASH及汉字库。图形界面以Microwindows 0.9及其控件库FLNX提供嵌入式图形界面平台。系统平台具有强大的网络通信功能,通过平台WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等网络工具和应用程序能方便地开发基于Internet的网络终端、远程控制、远程数据采集、远程数据处理产品。在应用程序层上,系统平台集成窗口管理程序, 全中文化网络浏览器(支持HTML、XML),Flash播放器(支持Flash4、Flash5、Flash6),文本编辑器,游戏等用于PDA开发, 机顶盒上网解决方案,以及可用于嵌入式数据采集、处理的虚拟示波器等。

DSP部分通过提供完整的HPI驱动程序(DSP部分)及通信协议,通过增加相应数据处理程控制算法程序,利用HPI并行接口与主机ARM通信进行数据交换,可用于各种实时处理,控制领域。

此外,DSP和ARM可以各自作为独立的系统使用,它们均有完整的子系统软件。子系统之间联系的核心是DSP器件本身带有的HPI接口。

2 ARM和DSP的通信接口设计

(1) DSP的HPI口介绍

HPI是TMS320C54X等芯片提供的一种并行端口,专门用于DSP和外部主机并行通信。HPI接口有标准HPI接口和增强型HPI接口。对于C5416和C5420DSP器件,它们的主机接口为增强型主机接口。标准HPI接口是一个8位总线接口,通过2个8位字节组合在一起形成1个16 字。增强型HPI接口分8位和16位两种。8位增强型主机接口和标准HPI接口操作时序一样,主要区别在于标准型只能访问2 KB专用RAM,而增强型可以访问DSP的整个RAM区。16位增强型HPI接口采用16位总线,只要一个主机操作就能完成访问操作。

(2) HPI硬件连

HMS30C7202与TMS320C5416接口电路如图3所示。系统将HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、数据寄存器统一编址,映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000开始的I/O内存空间。

利用地址线RA[3:0]产生HPI访问所需的控制信号。A0与A1决定访问寄存器类型。A2决定访问的是第一个字节还是第二个字节：A2=0 时,表示写入的数据为第一个字节;A2=1时,表示写入的数据为第二个字节。在HPI-8中所有地址线和控制线是在HDS1和HDS2的下降沿采样,而不是由HR/W决定,因此HR/W通过地址线A3表示当前操作是读还是写,而数据锁存信号由nRCS3和nRW0相与后共同产生。KSCAN[2]设置为 HMS30C7202的PORTA中断输入脚,DSP通过中断方式与Linux底层HPI驱动程序通信。

3 ARM和DSP的通信接口驱动程序设计

Linux是Unix操作系统的一种变种。在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统,但它和DOS或Window 环境下的驱动程序有很大的区别。Linux驱动程序可以编译进内核,也可以模块形式动态地加入和卸载。Linux的这种特点可根据目标系统裁减内核,更适合于嵌入式系统。

(1) Linux驱动程序基本原理

在Linux中所有设备分为字符设备、块设备和网络设备三种,所有设备都看成普通文件,因此可以通过用操纵普通文件相同的系统调用来打开、关闭、读取和写入设备。系统中每个设备都用一种设备特殊文件来表示。

在Linux中,设备驱动程序是一组相关函数的集合。它包含设备服务子程序和中断处理程序,每个设备服务子程序只处理一种设备或者紧密相关的设备。其目的就是从与设备无关的软件中接受抽象的命令并执行。当执行一条请求时,具体操作是根据控制器驱动程序提供的接口,并利用中断机制去调用中断服务子程序配合设备来完成这个请求。设备程序利用结构file_operations与文件系统联系起来。在Linux下驱动程序装载如图4所示。

(2) HPI驱动程序

HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系统平台采用I/O存取方式,将HPI访问控制寄存器、数据寄存器、地址寄存器,映射到内存物理地址为0X0C000000开始的空间,通过访问存储器指令对HPI进行操作。HPI具体物理地址定义如下：

#defineHPI_BASE0X0C000000//HPI基地址

#define HPD_READ_LOWHPI_BASE+0X0012

//读数据寄存器第一字节 ?

#define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C

//写地址寄存器第二字节

在Linux下,类似Windows,程序不能直接访问物理地址。设备驱动程序是内核的一部分,它像内核中其他代码一样运行在内核模式,驱动程序如果出错就会使系统受到严重破坏,因此需要将物理地址映射到内核空间。在Linux下通过virtul_address=(u32)ioremap (HPI_BASE,HPI_LENGTH)实现。驱动程序主要结构如下：

struct file_operations hpi_fops={

owner:THIS_MODULE,

read: hpi_read,

write: hpi_write,

poll : hpi_poll,

open: hpi_open,

release: hpi_release,

};

HPI通信协议采用帧结构,由于增强型HPI接口允许访问DSP内部RAM所有空间,系统通信在DSP内部分配2 K字(16位)作为帧缓冲区,读写各1 K字,协议采用一位滑动窗口协议。帧格式如表1所列。