可最大程度地发挥Zynq SoC优势的双重方法

来源:xielinghui发布时间:2015-04-1439浏览

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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。

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。

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。

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>\ app1079\design\work\sdk_repo，如图2所示。

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。

图1 – Zynq SoC处理系统，显示私有和共享资源

图2 — 将您的新文件添加到库

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87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。

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。

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。

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3 – 为AMP设计选择第一阶段引导载入程序

图4 – 为内核0创建应用和BSP

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。

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。

图5 – 内核0的DDR位置和大小

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。

图6 – 通过编码禁用片上存储器上的高速缓存

图7 – 为内核1创建BSP

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\design\work\bootgen)。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)。

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)。