基于Zynq多核运行设计

邢艳芳，朱金付，周晓梅

(1.中国传媒大学南广学院，江苏 南京 211172；2.东南大学，江苏 南京 210000)

0 引 言

多核处理器主要包括两种，即对称多核处理器(symmetrical multi-core processors，SMP)和非对称多核处理器(asymmetrical multi-core processors，AMP)。目前大部分通用多核处理器是SMP，各个CPU是平等的，共享操作系统、内存和外设等资源，Windows和Linux都有比较成熟稳定的任务调度算法。AMP大多是嵌入式多核处理器采用的架构，由一个主CPU控制系统运行和资源分配，从CPU执行主CPU的命令或者预定义任务，其实时性比较强，适合于一个CPU做任务调度，其他CPU各自独立处理实时任务，并通过共享内存实现各个CPU之间的通信。AMP目前还没有成熟的任务调度算法。

Zynq是Xilinx推出新的全可编程芯片[1-2]，是以ARM为核心，以FPGA为可编程外设的一种全新架构处理器，其ARM是由2个Cortex-A9 CPU组成的非对称多核处理器系统，目前对Zynq的应用研究大都是基于单核处理器。文中提出在Zynq的CPU0上运行一个裸机程序，由CPU0控制系统的初始化、共享资源和启动CPU1。CPU1启动后，同时也运行一个裸机程序，通过共享OCM和CPU0通信，分时共享OLED，实时显示CPU运行的相关信息。

1 Zynq双核运行原理

Zynq是一个FPGA做外设的A9双核处理器，是一个可扩展处理平台。因此，它的启动流程与传统的ARM处理器类似，和FPGA完全不同。Zynq的启动配置需要多个处理步骤，通常情况，需要包含以下三个阶段[3-6]。

(1)阶段0：在器件上电运行后，处理器就自动开始Stage-0 Boot，即片内BootROM中的代码被执行，上电复位或者热复位后，处理器执行的不可修改的代码。

(2)阶段1：在BootROM初始化CPU和一些外设后，读取下一个阶段所需的程序代码FSBL，即first stage boot loader。它可以由用户修改控制的代码。

(3)阶段2：这是用户基于BSP的裸机程序，也可以是第二阶段操作系统的启动引导程序。这个阶段代码完全是在用户的控制下实现的。

CPU0作为主处理控制共享资源，如果CPU1需要控制一个共享资源，必须请求CPU0并让CPU0控制资源。OCM被作为两个CPU通信共享资源，相比DDR内存，OCM具有非常高的性能和低延迟访问的特点。

CPU0和CPU1共享OLED外设，并显示相关运行信息。CPU0和CPU1分时占用OLED资源，各占用5 s，相互之间通过OCM的0xFFFF0000地址作为共享内存，进行通信协调。当0xFFFF0000中的内容为0时，OLED由CPU0占有，当0xFFFF0000中的内容为1时，OLED由CPU1使用。OCM是片上内存，访问速度比片外DDR快，因此，两个CPU通信的实时性比较好。

Zynq是非对称多核处理器系统，CPU0和CPU1各自占用独立的DDR空间，其中CPU0使用的地址空间为0x00100000到0x001FFFFF，而CPU1使用的地址空间为0x00200000到0x002FFFFF。

2 硬件设计

Zynq由PS+PL构成，其中PS部分和普通的ARM芯片一样，可以独立使用；PL部分就是传统意义的FPGA，可以方便定制外设电路IP，也可以进行相关的算法设计。普通的ARM，外设是固定的；而Zynq硬件外设是不固定的，可以利用PL部分灵活地定制外设挂在PS上，这是Zynq最大的特点，也是Zynq灵活性的一个重要表现。两个应用程序运行在PS部分的Cortex-A9双核处理器，因此，PS部分自带的相关硬件使用Xilinx默认配置即可，但双核CPU运行的相关信息需要在OLED上显示[7-9]，因此需要在PL部分定制一个OLED的IP核，通过AXI总线和PS进行通信。在PS部分对OLED进行驱动设计和显示设计。

Zynq的测试板ZedBoard上使用Inteltronic/Wisechip公司的OLED显示模组UG-2832HSWEG04。这是一款单色被动式显示屏，分辨率为128*32，驱动电路采用所罗门科技的SSD1306芯片。ZedBoard测试板使用的OLED采用SPI模式控制，使用的信号线和电源线有如下几条：

RST(RES)：硬复位OLED；

DC：命令/数据标志(0，读写命令；1，读写数据)；

SCLK：串行时钟线；

SDIN：串行数据线；

VDD：逻辑电路电源；

VBAT：DC/DC转换电路电源。

在SPI模式下，每个数据长度均为8位，在SCLK的上升沿，数据从SDIN移入到SSD1306，并且是高位在前的。

其硬件建构框图如图1所示。

图1 硬件设计图

3 软件设计

软件设计部分包括CPU0应用程序和CPU1应用程序。CPU0上运行裸机程序是主系统，主要负责系统初始化、控制CPU1的启动、与CPU1的通信和在OLED上显示信息。CPU1上运行的裸机应用程序主要负责与CPU0上运行的程序通信、与CPU0共享OLED[10-13]。

FSBL总是运行在CPU0上，这是上电复位后PS运行的第一个软件应用程序。负责配置PL和将应用程序ELF文件复制到DDR内存。加载应用程序到DDR内存后，FSBL开始执行第一个被加载的应用程序。FSBL加载完应用程序后，跳转到0x00100000处执行CPU0程序。

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

关闭Cache后，CPU0执行SEV汇编指令，激活CPU1，CPU1到OCM的0xFFFFFFF0地址读取其数值，即CPU1应用程序的地址，CPU1应用程序将从该地址执行。

判断共享内存COM_VAL是否为0，如果不为0，将继续等待判断。如果为0，将在OLED上显示相关信息，延时5 s，将COM_VAL设置为1，把OLED资源让给CPU1使用。然后继续判断共享内存COM_VAL是否为0，等待CPU1把OLED使用权让给CPU0。

CPU0在DDR执行的物理地址由链接脚本设置，将其运行地址设置为0x00100000，链接脚本文件相关内存地址设置见表1。

表1 CPU0内存地址

CPU0程序流程如图2所示。

图2 CPU0程序流程

在AMP系统中，因为各CPU独立使用资源，所以CPU1里仍需要配置MMU，关闭Cache。激活CPU1后，将从DDR的0x00200000地址开始执行应用程序。

在关闭Cache后，CPU1需等待CPU0将共享内存设置为1，然后在OLED上显示相关信息。延时等待后，清除共享内存，将OLED让给CPU0使用。

CPU1在DDR执行的物理地址由链接脚本设置，将其运行地址设置为0x00200000，链接脚本文件相关内存地址设置见表2。

表2 CPU1内存地址

CPU1程序流程如图3所示。

图3 CPU1程序流程

4 设计验证

在完成软硬件设计后，需要把软件部分下载到DDR中运行，把硬件比特流配置到Zynq的PL部分。通过Xilinx的BootGen工具，生成Zynq能识别的合法镜像文件BOOT.BIN，其中包含FSBL文件、system.bit文件、CPU0文件和CPU1文件。将BOOT.BIN复制到SD卡，将测试板ZedBoard设置为SD卡启动，启动ZedBoard后会看到OLED被CPU0和CPU1分时占用信息，如图4所示。

图4 实验结果

5 结束语

Zynq器件包括一个ARM双核AMP处理器，通过

CPU0控制系统和启动CPU1，实现了两个CPU同时运行裸机程序，并通过OCM实现了两个CPU的通信，经过24小时不间断测试，双核运行稳定，解决了该处理器双核同时运行的问题。

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