基于Zynq多核運行設計

邢艷芳，朱金付，周曉梅

(1.中國傳媒大學南廣學院，江蘇 南京 211172；2.東南大學，江蘇 南京 210000)

0 引 言

多核處理器主要包括兩種，即對稱多核處理器(symmetrical multi-core processors，SMP)和非對稱多核處理器(asymmetrical multi-core processors，AMP)。目前大部分通用多核處理器是SMP，各個CPU是平等的，共享操作系統、內存和外設等資源，Windows和Linux都有比較成熟穩定的任務調度算法。AMP大多是嵌入式多核處理器采用的架構，由一個主CPU控制系統運行和資源分配，從CPU執行主CPU的命令或者預定義任務，其實時性比較強，適合于一個CPU做任務調度，其他CPU各自獨立處理實時任務，并通過共享內存實現各個CPU之間的通信。AMP目前還沒有成熟的任務調度算法。

Zynq是Xilinx推出新的全可編程芯片[1-2]，是以ARM為核心，以FPGA為可編程外設的一種全新架構處理器，其ARM是由2個Cortex-A9 CPU組成的非對稱多核處理器系統，目前對Zynq的應用研究大都是基于單核處理器。文中提出在Zynq的CPU0上運行一個裸機程序，由CPU0控制系統的初始化、共享資源和啟動CPU1。CPU1啟動后，同時也運行一個裸機程序，通過共享OCM和CPU0通信，分時共享OLED，實時顯示CPU運行的相關信息。

1 Zynq雙核運行原理

Zynq是一個FPGA做外設的A9雙核處理器，是一個可擴展處理平臺。因此，它的啟動流程與傳統的ARM處理器類似，和FPGA完全不同。Zynq的啟動配置需要多個處理步驟，通常情況，需要包含以下三個階段[3-6]。

(1)階段0：在器件上電運行后，處理器就自動開始Stage-0 Boot，即片內BootROM中的代碼被執行，上電復位或者熱復位后，處理器執行的不可修改的代碼。

(2)階段1：在BootROM初始化CPU和一些外設后，讀取下一個階段所需的程序代碼FSBL，即first stage boot loader。它可以由用戶修改控制的代碼。

(3)階段2：這是用戶基于BSP的裸機程序，也可以是第二階段操作系統的啟動引導程序。這個階段代碼完全是在用戶的控制下實現的。

CPU0作為主處理控制共享資源，如果CPU1需要控制一個共享資源，必須請求CPU0并讓CPU0控制資源。OCM被作為兩個CPU通信共享資源，相比DDR內存，OCM具有非常高的性能和低延遲訪問的特點。

CPU0和CPU1共享OLED外設，并顯示相關運行信息。CPU0和CPU1分時占用OLED資源，各占用5 s，相互之間通過OCM的0xFFFF0000地址作為共享內存，進行通信協調。當0xFFFF0000中的內容為0時，OLED由CPU0占有，當0xFFFF0000中的內容為1時，OLED由CPU1使用。OCM是片上內存，訪問速度比片外DDR快，因此，兩個CPU通信的實時性比較好。

Zynq是非對稱多核處理器系統，CPU0和CPU1各自占用獨立的DDR空間，其中CPU0使用的地址空間為0x00100000到0x001FFFFF，而CPU1使用的地址空間為0x00200000到0x002FFFFF。

2 硬件設計

Zynq由PS+PL構成，其中PS部分和普通的ARM芯片一樣，可以獨立使用；PL部分就是傳統意義的FPGA，可以方便定制外設電路IP，也可以進行相關的算法設計。普通的ARM，外設是固定的；而Zynq硬件外設是不固定的，可以利用PL部分靈活地定制外設掛在PS上，這是Zynq最大的特點，也是Zynq靈活性的一個重要表現。兩個應用程序運行在PS部分的Cortex-A9雙核處理器，因此，PS部分自帶的相關硬件使用Xilinx默認配置即可，但雙核CPU運行的相關信息需要在OLED上顯示[7-9]，因此需要在PL部分定制一個OLED的IP核，通過AXI總線和PS進行通信。在PS部分對OLED進行驅動設計和顯示設計。

Zynq的測試板ZedBoard上使用Inteltronic/Wisechip公司的OLED顯示模組UG-2832HSWEG04。這是一款單色被動式顯示屏，分辨率為128*32，驅動電路采用所羅門科技的SSD1306芯片。ZedBoard測試板使用的OLED采用SPI模式控制，使用的信號線和電源線有如下幾條：

RST(RES)：硬復位OLED；

DC：命令/數據標志(0，讀寫命令；1，讀寫數據)；

SCLK：串行時鐘線；

SDIN：串行數據線；

VDD：邏輯電路電源；

VBAT：DC/DC轉換電路電源。

在SPI模式下，每個數據長度均為8位，在SCLK的上升沿，數據從SDIN移入到SSD1306，并且是高位在前的。

其硬件建構框圖如圖1所示。

圖1 硬件設計圖

3 軟件設計

軟件設計部分包括CPU0應用程序和CPU1應用程序。CPU0上運行裸機程序是主系統，主要負責系統初始化、控制CPU1的啟動、與CPU1的通信和在OLED上顯示信息。CPU1上運行的裸機應用程序主要負責與CPU0上運行的程序通信、與CPU0共享OLED[10-13]。

FSBL總是運行在CPU0上，這是上電復位后PS運行的第一個軟件應用程序。負責配置PL和將應用程序ELF文件復制到DDR內存。加載應用程序到DDR內存后，FSBL開始執行第一個被加載的應用程序。FSBL加載完應用程序后，跳轉到0x00100000處執行CPU0程序。

CPU0里需配置MMU，關閉Cache，使OCM的物理地址為0xFFFF0000到0xFFFFFFFF和0x00000000到0x0002FFFF。

關閉Cache后，CPU0執行SEV匯編指令，激活CPU1，CPU1到OCM的0xFFFFFFF0地址讀取其數值，即CPU1應用程序的地址，CPU1應用程序將從該地址執行。

判斷共享內存COM_VAL是否為0，如果不為0，將繼續等待判斷。如果為0，將在OLED上顯示相關信息，延時5 s，將COM_VAL設置為1，把OLED資源讓給CPU1使用。然后繼續判斷共享內存COM_VAL是否為0，等待CPU1把OLED使用權讓給CPU0。

CPU0在DDR執行的物理地址由鏈接腳本設置，將其運行地址設置為0x00100000，鏈接腳本文件相關內存地址設置見表1。

表1 CPU0內存地址

CPU0程序流程如圖2所示。

圖2 CPU0程序流程

在AMP系統中，因為各CPU獨立使用資源，所以CPU1里仍需要配置MMU，關閉Cache。激活CPU1后，將從DDR的0x00200000地址開始執行應用程序。

在關閉Cache后，CPU1需等待CPU0將共享內存設置為1，然后在OLED上顯示相關信息。延時等待后，清除共享內存，將OLED讓給CPU0使用。

CPU1在DDR執行的物理地址由鏈接腳本設置，將其運行地址設置為0x00200000，鏈接腳本文件相關內存地址設置見表2。

表2 CPU1內存地址

CPU1程序流程如圖3所示。

圖3 CPU1程序流程

4 設計驗證

在完成軟硬件設計后，需要把軟件部分下載到DDR中運行，把硬件比特流配置到Zynq的PL部分。通過Xilinx的BootGen工具，生成Zynq能識別的合法鏡像文件BOOT.BIN，其中包含FSBL文件、system.bit文件、CPU0文件和CPU1文件。將BOOT.BIN復制到SD卡，將測試板ZedBoard設置為SD卡啟動，啟動ZedBoard后會看到OLED被CPU0和CPU1分時占用信息，如圖4所示。

圖4 實驗結果

5 結束語

Zynq器件包括一個ARM雙核AMP處理器，通過

CPU0控制系統和啟動CPU1，實現了兩個CPU同時運行裸機程序，并通過OCM實現了兩個CPU的通信，經過24小時不間斷測試，雙核運行穩定，解決了該處理器雙核同時運行的問題。

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