硬件信号量在多核处理器核间通信中的应用

刘德保，汪安民，韩道文

（1.同方电子科技有限公司研究所，九江332009；2.解放军电子工程学院）

引 言

多核处理器由于片内集成多个处理器，在对处理能力要求较高的应用场合得到了大规模使用；同时多核处理器的超强处理能力，也推动了产品功能的多样化。目前，多核处理器主要以片内集成多款不同类型的处理芯片为主，一般集成FPGA／DSP／ARM／CPU 以及专用的协处理器等，如TI公司的AK2系列，集成多个DSP和多个ARM 核。此外，也有集成单一型号的多个处理器，如多核DSP 芯片TMS320C66系列，集成了2、4或8个同样的DSP核。

多核处理器中的多个单核一般需要联合工作，联合工作时它们之间的通信、握手、数据交换非常重要。尤其是在软件复杂度较高，且对运行时序要求严格的情况下，核间通信成为整个软件的关键。核间通信一般有3种方式：共享数据空间、硬件中断和任务中断。共享数据空间，是指两个核都可以访问相同的内存空间，根据其信息来交换数据和状态。该方式一般需要逐个核去查询，但采用查询方法一般很难适用于实时性要求较高的场合。硬件中断方式，是核之间通过硬件中断方式来通知状态，这种方式实时性最高，可以实时响应中断，但引起的问题是：如果存在多个任务，核间中断会打断正在运行的较高优先级的事件；如果在高级事件中屏蔽中断，在多次中断中只会响应最后一次中断，导致前面的中断丢失。为了解决这两个问题，多核处理器一般采用任务中断方式来实现核间信息交互。在单核的软件中，任务是实时运行的进程，由信号量来触发。一个任务完成后退出，信号量会减1，直到该任务对应的信号量为0；触发一个任务，就会给该任务的信号量加1。在多核处理器中，将信号量做成硬件信号量（Hardware Semaphore）来实现核间通信，硬件信号量具有硬件中断的实时性，又具有任务的排队机制，可以较好地解决核间通信问题。

本文以8核DSP 芯片TMS320C6678为例介绍了硬件信号量的应用。文中详细介绍了硬件信号量模块的结构和寄存器组合，以及实现核间中断的原理，最后以实例介绍两个核之间利用硬件信号量交互信息的方法和流程。

1 多核DSP及其结构

TMS320C6678（C6678）是TI公司多核处理器中的一款8核浮点型DSP，最高工作频率达到1.25GHz，单核可以提供40GMAC定点计算或者20GFLOPS浮点计算能力，单个芯片可以提供320GMAC 或者160GFLOPS计算能力。C6678的片内结构如图1所示。

图1 TMS320C6678内部结构图

C6678的每个核具有32KB的程序、32KB的数据以及512KB的二级Cache存储空间，芯片片内具有一个4 MB的共享SRAM。C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接寻址范围达到8GB。C6678的片内设有RapidIO、PCIe、EMIF以及I2C／SPI等接口，这些接口通过片内的TeraNet总线和各个处理器交互数据。从图1中可以看出，核访问共享RAM 的速度最快，它们之间不通过TeraNet，而是有专用的数据总线，也不会和其他外设产生冲突，每个核访问共享RAM 的速率大概在50Gb／s。

每个核访问DDR3的速度仅次于访问共享RAM，因为DDR3的数据需要通过共享RAM 过渡，其访问速度读写有所差别，读速率可以到10 Gb／s，写速率可以到20Gb／s。核访问其他片内和片外设备都要经过TeraNet，可能存在总线仲裁，但这些外设一般不会长时间占据TeraNet总线。各个核通过TeraNet访问硬件信号量，也可以通过TeraNet和HyperLink接口实现两个芯片之间的硬件信号量访问。

2 硬件信号量模块

硬件信号量模块的组成如图2所示，主要由信号量模块、寄存器组和中断模块3部分组成。

硬件信号量模块由64个独立的信号量组成，这64个信号量和硬件资源以及核之间没有必然联系，由软件根据每个核处理任务的多少分配，任务多的核获得更多的信号量。对信号量的访问有3种方式：直接访问（图中的SEM＿Dir）、间接访问（SEM＿inDir）和查询方式（SEM＿Query）。这3种方式软件上访问的方法都一样，就是对相应的寄存器进行读写操作，但不同访问方式的硬件响应机制不同。

直接访问方式下，如果该信号量空闲，访问的核将马上捕获该信号量；如果该信号量被其他核占用，将返回，整个访问工作结束。

间接访问方式和直接访问的唯一差别就是当该信号量被占用时，访问的事件被发布到队列中排队，一旦信号量被其他核释放，队列采用先进先出的方式给相应的核发出中断，相应的核占用该信号量。

查询方式是利用寄存器查询信号量的状态。这3种访问方式的状态如表1所列。

表1 三种硬件信号量访问的状态

图2 硬件信号量模块

硬件信号量有两个中断，其中一个为正常的捕获中断，该中断由读写寄存器启动，由信号量被释放触发，反映到EOI（End Of Interrupt）寄存器，该寄存器发送中断到相应的CPU，CPU 根据中断标志寄存器中（高32个信号量反映到FLAGH＿0，低32个信号量反映到FLAGL＿0）的标志位识别是来自哪个信号量的中断。CPU 完成中断服务程序，退出中断时要通过FLAG＿C 寄存器来清除标志位，为下一次中断作准备；CPU 也可以通过FLAG＿S寄存器人为设置一个中断标志，产生一个中断。

硬件信号量的另外一个中断为错误中断，当出现错误访问时会产生该中断，中断响应及操作方法与捕获中断类似。产生错误的情况有：去释放某个空闲信号量；去释放其他核占用的信号量；捕获一个自身占用的信号量；多次去捕获一个被占用的信号量。

3 软件设计

硬件信号量的软件设计主要包括初始化、中断响应和中断服务程序。由于硬件信号量是用于核间通信，使得调试工作需要在多个核之间切换，查阅各自寄存器。

因为是核间通信，采用单核常用的断点和单步这些调试方法将非常困难，需要软件设计者非常清晰地了解多个核的程序运行情况。

下面是核0和核1之间通过硬件信号量10来实现通信的例子。软件流程如图3所示。

图3 软件流程

首先各个核进行各自寄存器的初始化，主要包括硬件信号量寄存器和中断寄存器的初始化。

需要注意的是，由于每个核都进行初始化，而且每个核都可以访问这些寄存器，所以不能出现配置的紊乱，也不能出现多个核同时对某个寄存器配置的情况，这样可能会写入错误数据（即使在写入同样数据情况下）。

为了避免核1首先抢占信号量10，程序中核0先锁定核1，然后确保自己可以捕获到信号量10，捕获后释放核1，此时核1可以请求硬件信号量10。

但此时，信号量10被核0占用，核1无法得到请求，核1的请求被放到请求队列中，核1的请求任务结束，可以进行其他任务。一旦核0释放了信号量10，核1会收到一个硬件中断，因为中断优先级高于任务，核1将响应该中断，进入中断服务程序，完成中断服务程序后会继续执行被打断的任务。

硬件信号量的中断服务程序一般用于共享RAM 的读写，因为共享RAM 只有一组数据总线，无法实现多个核同时读写。如果多个核同时读写该空间，会出现等待现象，使得处理器的使用效率降低。

如果时序处理不好，会出现总线互锁现象，使得程序无法进行。采用硬件信号量后，可以按照优先排队方法进行队列管理，而且由于一个核不可能多次申请一个硬件信号量，所以在软件上很容易管理。如果软件功能较多、设计复杂，可以通过增加硬件信号量来区分，最多可以增加64个硬件信号量，基本能够满足当前处理器的要求。

结 语

硬件信号量是多核处理器中一种新模块，它将单核的信号量硬件化，实现快速实时的操作，并和硬件中断联系在一起，实现了多核之间的握手协议。硬件信号量具有相应的队列排队机制，既不会出现中断丢失问题，也不会出现多次访问问题。硬件信号量解决了常规硬件中断中多次中断不响应会丢失的问题，实现了软件和硬件的相结合，在多核软件编程中，是比较好的一种核间通信机制。

［1］李岩，谷萍萍.硬件实时操作系统信号量管理的设计与实现［J］.电子技术应用，2010（11）.

［2］Texas Instruments Inc.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating－Point Digital Signal Processor Data Manual［EB／OL］.（2013－04）［2014－07］.http：／／www.ti.com／.

［3］Texas Instruments Inc.KeyStone Architecture Semaphore2 Hardware Module User Guide［EB／OL］.（2012－04）［2014－07］.http：／／www.ti.com／.

［4］丁有源，汪安民.基于多核任务并行处理的DSP软硬件设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012（5）.