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集成在virtex-ii pro器件中的powerpc405，是一個32位risc硬核，它支持coreconnect總線的標準外設集合。使用coreconnect總線，可以方便地控制多個外設。在edk集成開發環境下，對于多個外設，每個外設都有對應的任務。powerpc405默認的嵌入式內核是standalone，在其上開發的多個任務是宏觀串行執行的，只有利用參數傳遞或全局參變量來建立各任務間的關系。在很多情況下，系統需要多個任務系統宏觀并行執行，使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內核改變為edk自帶的xilkernel內核，適當地改變軟件平臺設置的內容，就可以實現多個任務的并行執行。xilkernel也支持多任務間通訊和中斷。根據各種通訊方式，也可以建立各個任務之間的聯系；通過中斷，處理器可以及時響應外設產生的事件。 硬件系統結構 如圖1所示，powerpc405使用FPGA外部的存儲單元，使用coreconnect總線和外圍接口。coreconnect總線的標準外設集合可以重復使用，使系統整合變的更加容易。 圖1 powerpc405硬件系統結構 coreconnect總線結構 plb總線接口：用于powerpc405內核與高性能設備的連接。plb接口包括isplb接口和dsplb接口兩種。其中，isplb接口用于外設與powerpc405指令緩沖的連接，dsplb接口用于外設與powerpc405數據緩沖的連接。 opb總線接口：片上外設總線，內核通過opb來訪問低速和低性能的系統資源。它不是直接連接到處理器內核。處理器內核借助于“plb to opb”橋，通過opb訪問從外設；opb總線控制器的外設可以借助“opb to plb”橋，通過plb訪問存儲器。 硬件平臺構件 在edk集成開發環境中，由用戶向導生成mhs文件，用戶也可以根據mhs文件的語法添加自定義的外設。mhs文件用于描述硬件體系結構，其主要包括平臺的處理器類型、總線結構、外圍接口、中斷處理和地址空間。 edk工具platgen使用mhs文件作為輸入來創建硬件平臺，它創建不同形式的網表文件(ngc，edif)，下游工具的支持文件和頂級hdl包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺。 軟件系統結構 在edk集成開發環境中，mss文件用于描述軟件體系結構，其主要定義了平臺的內核、軟件庫、驅動程序和文件系統的參數。 edk工具libgen使用mss文件作為輸入，定制驅動、庫、文件系統和中斷處理程序。 xilkernel模塊結構 xilkernel模塊結構如圖2所示，xilkernel提供與內核的posix接口。但并不是每一個通過posix定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個精細選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持posix線程、posix無名信號量、xsi消息隊列、posix互斥鎖、中斷處理等。 xilkernel的軟件平臺配置 xilkernel已經被設計為可以和edk軟件和硬件流緊密共同工作，完全被整合在軟件平臺配置和自動的庫、板級支持包產生機制之中。在軟件配置平臺，可以對xilkernel支持的功能進行配置，下面介紹一些主要的配置： a、指定系統定時器的頻率值和時間片間隔。 b、指定系統可以運行的線程數量、任務調度方式(這里我們設置為優先級搶占方式，以保證重要的突發事件及時得到處理)和系統中斷控制器。 c、配置系統的通訊方式，可以通過這些開關來確定系統需要的通訊方式，并可以確定各個通訊方式的參數。包括消息隊列、信號量等。 d、指定系統的靜態任務，也就是完全進入內核后執行的第一個任務，可以在這個任務里產生和設置系統需要的其它任務。 e、一些增強系統功能的設置等等。 主要任務間的通訊方式和中斷 必需的配置 首先要生成連接腳本，是通過硬件需要生成的，此腳本反映了xilkernel需要的不同的段存儲器。比如.vectors段被分配于一個有64kb地址邊界的存儲器的開始，而.boot段在0xfffffffc處。其余的代碼和數據存儲器可以放在任何地方。 圖2 xilkernel模塊結構 其次，xilkernel是作為一個庫來架構的。這意味著應用程序源文件僅需要連接xilkernel，就能夠訪問xilkernel的功能。這些需要設置編譯器的庫連接選項為xilkernel，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應用程序提供main()入口，然后通過調用xilkernel_main()作為內核的入口點。產生庫、bsp并編譯程序后，xilkernel將自動作為系統啟動、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個簡單的內核入口代碼： #include "xmk.h" /* 定義和聲明 */ int main() { /* 用戶完成預處理，不允許調用內核接口 */ xilkernel_main (); /* 開始內核 */ /* 程序不會執行到這里 */ } /* 系統的靜態任務 */ void * first_thread () { /* 產生一些線程來處理用戶需要 */ } 線程的創建 線程的創建及屬性的簡單設置可以由下面幾個函數實現： int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr) int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr, struct sched_param *schedpar) int pthread_create (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr, void* (*start_func)(void*),void* param) pthread_attr_init()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來設置線程的優先級，attr是線程的屬性，schedpar是包含有線程優先級的數據結構。pthread_create()創建一個線程，thread表明線程id，attr指出線程屬性，start_func函數指針是線程創建成功后開始執行的函數，param是這個函數的一個唯一的參數。 在靜態任務中調用這些函數來產生一些有優先級的任務。如下例： static pthread_t tid0,tid1; static pthread_attr_t attr; static struct sched_param prio; void * first_thread () { ...... pthread_attr_init(&attr); prio.sched_priority = 4; pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio); ret = pthread_create (&tid0, &attr, (void*)important_task, null); pthread_attr_init (&attr); prio.sched_priority = 5; pthread_attr_setschedparam (&attr,&prio); ret = pthread_create (&tid1, &attr, (void*)second_important_task, null); ...... } 這樣，系統會發起important_task和second_important_task兩個任務，important_task的優先級比second_important_task高，會優先運行。除非important_task任務阻塞或退出，second_important_task才可能得到運行。 posix無名信號量 信號量提供高速的任務間同步和互斥機制。對于互斥，信號量可以上鎖共享資源，使得該共享資源在同一時刻只有一個線程所擁有。關于此信號量的一些常用函數如下： int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem); sem_init()創建一個信號量，并初始化信號量的值為value；sem_wait()調用將阻塞進程，直到信號量的值大于0，此函數返回時信號量的值減1；sem_post()是將信號量的值加1，并發出信號喚醒等待的進程。 信號量用于同步，一般要初始化為0，等待要同步的任務阻塞在sem_wait()調用上。任務調用sem_post來解鎖該信號量，來達到同步。下面一個例子是用信號量實現同步操作的： static sem_t protect; void * first_thread (){ ...... sem_init(&protect, 1, 0); ...... } void* thread_func1 (){...... while(1){ sem_wait(&protect); ...... } } void* thread_func2 (){...... while(1){...... if(某種條件成立)sem_post(&protect); } } 當信號量用于互斥時，一般要初始化為一個大于0的值，就可以讓資源可用。如果信號量的初始值為1，第一個上鎖該信號量的線程會立即執行，后繼的線程將會阻塞，直到下次信號量解鎖才會執行。 xsi消息隊列 消息隊列允許長度可變、數目可變的消息排隊。任何任務或中斷服務程序可以發送消息到消息隊列。任何任務可從消息隊列接收消息。關于此消息隊列的一些常用函數如下： int msgget(key_t key, int msgflg) int msgsnd (int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg) ssize_t msgrcv (int msqid, void *msgp, size_t nbytes, long msgtyp, int msgflg) msgget()來創建一個消息隊列，key是消息隊列的標識符，msgflag目前有兩個選項，ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函數往隊列發送一條消息，msgp是消息緩沖指向的指針，msgsz表示消息的字節數。msgrcv ()函數作用是從消息隊列中讀取消息，把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區，nbytes表示緩沖支持的消息字節數。發送和接收消息中的msqid是消息隊列描述符，用來標識相關的消息隊列。下面是消息隊列單向通信的簡單代碼： struct _msg { short type; char first; char last; }; static struct _msg msg_p; static struct _msg msg_c; static int msgid; void * first_thread (){ ...... msgid = msgget(5,ipc_creat | ipc_excl); ...... } void* consumer () { while(1) { msgrcv( msgid, &msg_c, 4, 0,0 ); ...... } } void* producer () { while(1) {...... msgsnd (msgid, &msg_p, 4, 0); } } 在例子開始，建立消息的數據結構。在producer()中操作消息的各項數據，通過msgsnd()發送此消息。在consumer()中，如果消息隊列里沒有消息，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊列非空時，msgsnd()才把消息復制到msg_p指向的數據結構中，此時此線程開始執行，并可以對接收到的消息進行處理。 中斷 xilkernel已經被設計為可以和多個中斷設備共同工作，用戶用opb_intc ip核作為中斷控制器來處理硬件中斷。xilkernel僅支持一個中斷控制器來連接ppc405的外部中斷引腳，而且不支持中斷控制器連接臨界的中斷。對于中斷程序設計，xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。 在xilkernel_main()中已經完成了初始化powerpc405的中斷表，并能使了中斷控制器連接在處理器上的非臨界的中斷。下面是摘抄xilkernel_main()內部執行相關代碼： xexc_init(); /*初始化powerpc405的中斷表*/ xexc_menableexceptions (xexc_non_critical); /*能使非臨界中斷*/ 下面是開發應用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開始接收中斷；其次，把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上；再就是注冊此非臨界中斷；最后能使此中斷。下面是一個串口中斷接收的簡單代碼： void * first_thread (){...... xintc_mmasterenable(xpar_ myintc_baseaddr); xintc_menableintr(xpar_ myintc_baseaddr, xpar_myuart_interrupt_mask); xintc_registerhandler(xpar_ myintc_baseaddr, xpar_myuart_interrupt_intr, (xinterrupthandler)uart_int_ handler,(void *)xpar_myintc_baseaddr); xuartlite_menableintr (xpar_myuart _baseaddr); ...... } void uart_int_handler(void *baseaddr_p) {/* 中斷處理程序 */while(!xuartlite_misreceiveempty (xpar_myuart_baseaddr)) { ch = xuartlite_recvbyte( xpar_myuart_baseaddr); ...... } } 一個中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應該盡量短，如果中斷處理程序不能完全處理此事件，可以由信號量同步發起一個任務來處理本事件。 結語 xilinx公司的vritex-ii pro實現了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設計平臺，其出眾的性能受到高端應用的青睞。在此平臺上利用xilkernel嵌入式操作系統，為嵌入式應用開發提供了極大的系統結構靈活性。本文僅介紹了幾種常用的基于xilkernel的嵌入式應用程序設計方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時器等實現其它的功能。讀者也可以根據嵌入式開發的經驗和xilkernel的強大功能，構建復雜的fpga嵌入式系統 |
