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基于消息机制的片上多处理器系统的研究

发布时间:2020-06-30 20:15:26 阅读: 来源:船板厂家

摘要:描述了一种基于消息机制构建的片上多处理器系统。该系统采用主从结构,运用消息进行通信,并且从处理器之间彼此相互独立,在硬件结构与软件设计上保持一致。这样不仅简化了系统的设计,更使得系统具有一定的容错性与稳定性。最后在Quartus软件中设计并且综合,在该系统下运行JPEG编码算法,当运行于100 MHz时,测得系统在不同个数处理器时的处理性能,满足了设计要求。关键词:多处理器;消息机制;FPGA;DMA引言 如今,数字处理技术已得到了广泛的应用,各种复杂算法的提出与处理精度的提高,都使得需要处理的数据量变得越来越大。而提高系统处理性能主要有提高处理器的频率、采用多处理器系统2种方法。在单处理器频率提升达到瓶颈的情况下,多处理器系统成为提高系统性能的一种有效方式。 近年来,多处理器系统的应用已经越来越广泛,但大部分的多处理器系统都是针对特定的应用对象进行设计,这类系统耦合度高,任务分解充分,执行效率高。同时,这类系统开发难度较大,针对性强,不具有通用性,且当系统中的某个处理器出现问题时,整个系统将面临崩溃。为了简化系统设计,提升多处理器系统的稳定性,本文提出了一种基于消息机制构建的多处理器系统。该系统采用主从结构,主处理器运行管理系统,从处理器完成用户指定的任务。从处理器彼此之间相互独立,可相互替代,并在硬件结构与软件设计上保持一致。这样不仅简化了系统的设计,更使得系统具有一定的容错性与稳定性。实验结果表明,本设计达到了预期效果。1 多处理器系统体系结构 本文所设计的多处理器系统体系结构框图如图1所示,它主要包括一个主控制器模块及多个从处理器模块。

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主控制器主要负责消息的分配与跟踪,控制DMA进行数据的快速移动等。从处理器则根据主控制器分配的任务执行相应的处理。系统上还集成了多种系统外设,如RS232、定时器、JTAG接口、多种存储控制器等。 主控制器模块及从处理器模块中使用的处理器是Nios Ⅱ嵌入式软核处理器,选用的是快速型。该处理器是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式处理器,可根据需要配置为快速、标准、经济3种类型,提供满足性能与成本的最佳方案。每个模块中都配备1个FIFO,用于存储消息;配备2个RAM存储器,组成乒乓结构,用于存储原始数据或结果数据,同时可用于DMA传输控制。 主控制器模块与多个从处理器模块构成主从结构。主控制器集中管理所有的从处理器模块;所有的从处理器模块相互独立,互不影响,运行时可相互替代。主控制器模块与系统的所有外设及所有的从处理器模块都是通过Avalon总线相互连接。该总线是一种协议较为简单的片内总线,处理器可通过该总线与外界进行数据交换。2 通信机制的设计 在本文所设计的系统中,各个模块之间都采用消息进行通信,如主控制器与从处理器之间的通信、处理任务的分配、处理结果的反馈等。对于数据的传递,如果数据量比较小,可以把数据附在消息中进行传递;如果数据量比较大,则用DMA进行存储器到存储器之间的快速移动。2. 1 消息结构的设计 消息是该系统的通信基础,也是系统运行的重要环节,因此定义一种结构通用又易于识别的消息结构显得十分重要。在该系统中,采用的是可变长度的消息结构:{类型;长度;子类型;参数1;参数2;…;参数N}。 其中长度指的是其后的数据个数,不包括类型及自身。这样处理有利于消息的传递与读取。在消息结构中,类型、长度、子类型这3个字段在消息中的位置固定,有利于消息的解析。如根据消息中的类型与子类型字段,可快速转到相应的处理函数进行处理,根据长度字段,可准确地判断消息中参数的个数;将“子类型”排在“长度”之后,则有利于消息的读取。2.2 消息的传递 消息的传递过程就是向目标消息存储器FIFO写入消息数据的过程。由于系统采用的是主从结构,当消息在控制器与处理器之间的不同方向传递时,传递过程并不相同。

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