Zynq SoC多处理器的两个ARMA9内核的通信与存储 - 全文

利用赛灵思Zynq SoC 上的两个ARM A9 内核可以显著提高您的系统性能。

赛灵思Zynq®-7000 全可编程SoC 的众多优势之一就是拥有两个ARM® Cortex ™ -A9板载处理器。不过，很多裸机应用和更为简单的操作系统只使用Zynq SoC 处理系统（PS）中两个ARM 内核中的一个，这种设计方案可能会限制系统性能。

根据所开发的应用类型不同，可能需要这两个处理器都运行裸机应用，或者需要在每个处理器上运行不同的操作系统。例如，其中一个处理器执行关键计算任务，从而运行裸机/RTOS 应用，同时第二个处理器通过Linux 提供HMI 和通信功能。

什么是多处理？

这两种方案都属于多处理。简单定义：多处理就是在一个系统中使用一个以上的处理器。多处理架构可允许一次执行多个指令，但并非必须如此。

多核处理包括两种类型：对称和非对称。

对称多处理是通过将负载分配给多个内核，从而能够同时运行多个软件任务。而非对称多处理（AMP）则是使用专用处理器，或者针对特定应用或任务在相同处理器上执行应用。

根据定义，使用Zynq SoC 上的两个内核执行裸机应用或不同操作系统都属于非对称多处理。Zynq SoC 上的AMP 可能涉及如下几种组合：
• 在内核0 和内核1 上运行不同操作系统；
• 在内核0 上运行操作系统，在内核1 上运行裸机应用（ 反之亦然）；
• 在两个内核上均运行裸机应用，执行不同程序。

当您决定在Zynq SoC 上创建AMP系统时必须考虑一个实际问题， 即ARM 处理器内核同时包含必须进行正确寻址的私有资源和共享资源。这两个处理器都有私有的L1 指令和数据高速缓存、定时器、监视时钟以及中断控制器（针对共享和私有中断）。另外还存在一些共享资源，常见的有I/O 外设、片上存储器、中断控制器分配器、L2高速缓存和位于DDR 存储器中的系统内存（见图1）。这些私有和共享资源均需要精心管理。

 

图1 – Zynq SoC处理系统，显示私有和共享资源

每个PS 核都有自己的中断控制器，能够利用软件中断实现自身与一个或两个内核的中断。这些中断通过ARM 的分布式中断控制器技术完成分配。

由于针对每个内核执行的程序都位于DDR 存储器内，因此您必须特别注意以确保对这些应用进行正确分割。

建立AMP

建立AMP 并使其运行在Zynq SoC 上所需的关键因素是引导载入程序，该程序会在第一个应用载入到存储器后寻找第二个可执行文件。赛灵思在XAPP1079 中提供了有用的应用指南和源代码。该文档包含修改后的第一阶段引导载入程序（FSBL）和独立OS，可用来创建AMP 系统。

首先要做的是下载与应用说明配套提供的ZIP 文件，再将FSBL 和OS 这两个要素解压到期望的工作目录。然后，必须给名为SRC“design”的文件夹重新命名。现在，非常重要的一点是一定要确保软件开发套件（SDK）知道这些新文件（修改后的FSBL 和独立OS，两者兼备）的存在。因此，下一步需要更新您的SDK 库，以便使其知道这些新文件的存在。

这很容易实现。在SDK 中赛灵思工具菜单下选择“库”，然后选择“新建”，随之导航到目录位置< 您的工作目录>app1079designworksdk_repo，如图2 所示。

 

图2 — 将您的新文件添加到库

使用软件中断与硬件中断基本相似，区别只在于您如何触发它们。

   

处理器间的通信

为AMP 设计创建应用之前，您需要考虑应用如何进行通信（如有需要）。最简单的方法是使用片上存储器。Zynq SoC 配备256KB 的片上SRAM，可从以下四个源地址进行访问：
• 利用侦测控制单元（SCU）从任意内核进行访问；
• 利用SCU 通过AXI 加速器一致性端口（ACP）从可编程逻辑进行访问；
• 利用片上存储器（OCM）互联通过高性能AXI 端口从可编程逻辑进行访问；
• 也是利用OCM 从中央互联进行访问。

由于这些不同的访问源都能对片上存储器进行读写，因此尤为重要的一点是，在使用OCM 之前一定要首先详细了解其的运行方式。

既然OCM 有多个访问源，那么显然应该定义一个仲裁和优先级形式。由于侦测控制单元需要最低时延（SCU 既可以是处理器内核也可以是AXI ACP 接口），因此SCU 从这些访问源的读操作就具有最高优先级，紧接着是SCU 写操作，然后是OCM 互联读/ 写操作。用户可通过将片上存储器控制寄存器中的SCU 写操作的优先级设置为低来颠倒SCU 写操作和OCM 互联访问的优先级。

OCM 本身结构为128 位字，分成四个64KB 分区，并位于PS 地址空间的不同位置。初始配置下，前三个64KB 区块布置在地址空间的起始位置，最后一个64KB 区块置于地址空间的末尾（见图5）。

简单的片上存储器实例

您可使用赛灵思I/O 函数访问OCM，以便从所选的存储器地址读取和写入数据。这些函数包含在Xil_IO.h 中，可支持在CPU 地址空间内存储和访问8 位、16 位或32 位字符型、短整型或整型数据。使用这些函数时，只需知道您希望访问的地址以及想要在此存储的值即可。如果是写操作，方法如下，

使用该技术时要确保两个地址指向片上存储器中的相同位置，尤其是当不同人编写不同内核程序时更应如此，为此更好的方法是使用共同的头文件。该文件将包含针对特定传输的相关操作地址的宏定义，例如：

另一种备选方法是让两个程序都使用指示器来访问存储单元。您可以通过使用宏命令定义指向恒定地址的指示器（一般用C 语言）来实现这一点：

此外，您还可以对地址再次进行宏定义，以确保该地址为两个应用程序的共用地址。这种方法无需使用赛灵思I/O 库，而是通过指示器实现简单访问。

处理器间的中断
Zynq SoC 中的每个内核都有16 个软件生成的中断。如上文所提到的，每个内核都能实现自身与另一个内核或两个内核的中断。使用软件中断与使用硬件中断基本相似，区别只在于您如何触发它们。若使用软件中断，正在接收的应用就无需针对更新数据而对目标存储单元进行轮询。

就像使用任何硬件中断时一样，您需要对两个内核中的通用中断控制器进行配置。敬请参阅《赛灵思中国通讯》第52 期的“如何在Zynq SoC上使用中断”以了解更多相关信息。

然后，您可以使用xscugic.h 中提供的XScuGic_SoftwareIntr 函数在正在更新的内核中触发软件中断。该命令将向该指定内核发出一个软件中断，再由该内核进行适当操作：

您必须为内核0和内核1应用对DDR存储器进行正确分段，否则会存在其中一个应用破坏另一个应用的风险。

创建应用
将文件添加到库之后，下个阶段就是生成AMP 解决方案的三个重要部分：AMP 第一阶段引导载入程序、内核0应用和内核1 应用。您必须为每个部分生成一个不同的板支持包（BSP）。

您需要做的第一件事是用SDK创建一个新的FSBL。选择“新建应用项目”，创建一个支持AMP 的FSBL 项目。这与创建一般FSBL 的过程没有什么不同。不过，这次您需要选择“Zynq FSBL for AMP”模板，如图3 所示。

 

图3 – 为AMP设计选择第一阶段引导载入程序

完成AMP FSBL 创建之后，接下来需要为第一个内核创建应用。一定要选择内核0 和您的首选操作系统，并允许其创建自己的BSP，如图4 所示。

 

图4 – 为内核0创建应用和BSP

创建应用之后，您需要正确定义应用在DDR 存储器中的位置（应用将从该位置执行）。为此，您需要编辑图5 中的链接器脚本，以显示DDR 的基地址和大小。这一点很重要，因为如果没有为内核0 和内核1应用对DDR 存储器进行正确分段，就会存在其中一个应用破坏另一个应用的风险。

 

图5 – 内核0的DDR位置和大小

完成分段之后，您现在可以编写希望在内核0 上执行的应用，因为该内核是AMP 系统中的主管。内核0 必须启动内核1 应用的执行。您需要将图6 中的代码段包含在应用中。这段代码禁用片上存储器上的高速缓存，并将内核1 程序的起始地址写到一个内核1 将会访问的地址。一旦内核0 执行Set Event（SEV）命令，内核1 便开始执行其程序。

 

图6 – 通过编码禁用片上存储器上的高速缓存

下一步是为内核1 创建BSP。一定要使用修改后的独立OS（standalone_amp，如图7 所示），这一点很重要，因为它能防止PS 侦测控制单元的重新初始化。就这一点而言，在创建项目时不要像对待内核0那样允许其自动生成BSP。必须确保在CPU 选项中选择内核1。

 

图7 – 为内核1创建BSP

既然您已经为内核1 创建了BSP，那么接下来首先需要修改BSP的设置，才能继续创建您想要在内核1 上运行的应用。这非常简单，只需要向BSP 驱动器部分的配置中添加一个额外的编译器标志：–DUSE_AMP=1。

这一步完成后，您就可以任意为内核1 创建应用了。务必选择内核1 作为处理器，并使用您刚刚创建的BSP。创建新应用之后，您需要再次在DDR 存储器中定义正确的存储单元，而内核1 程序将从此处执行。您可按照之前的方法通过编辑内核1 应用的链接器脚本来完成设定。与第一个内核一样，在该应用中同样要禁用片上存储器上的高速缓存—— 该高速缓存可用来在这两个处理器之间进行通信。

将所有组件完美整合

在创建应用和构建项目之后，您现在应已拥有以下组件：
• AMP FSBL ELF ；
• 内核0 ELF ；
• 内核1 ELF ；
• BIT 文件，用来为预期能够实现AMP 的Zynq 器件定义配置。

使用所提供的工具在Zynq SoC上创建非对称多处理应用可以变得非常简单。

为了使Zynq SoC 从所选的配置存储器中引导，您需要一个.bin 文件。要创建该文件，您还需要一个BIF 文件。BIF 文件规定了应使用哪些文件创建BIN 文件以及它们的顺序。不要使用SDK 中的“创建Zynq”引导映像，而应使用ISE® 设计套件命令提示符和BAT 文件（BAT 文件是XAPP1079 的一部分，位于下载目录designworkootgen）。该目录包含一个BIF 文件和一个cpu1_bootvec.bin，后者作为修改后的FSBL 的一部分，用于阻止其查找和加载更多应用。

要生成BIN 文件，您需要将生成的三个ELF 文件复制到bootgen 目录，并对BIF 文件进行编辑以确保其中的ELF 名称正确无误（如图8 所示）。

 

图8 – 修改BIF文件

现在您可打开一个ISE 命令提示符，并导航至bootgen 目录。在这里运行createboot.bat。该步骤将创建boot.bin 文件（如图9 所示）。

 

图9 – 创建将在Zynq SoC上运行的boot.bin文件

然后，您可将该文件下载到ZynqSoC 上的非易失性存储器中。该器件的引导将使两个内核启动并执行其各自的程序。

使用所提供的工具在Zynq SoC上创建非对称多处理应用可以变得非常简单。使用片上存储器或DDR 分区可以很容易地实现两个内核之间的通信。