基于消息機制的片上多處理器系統(tǒng)的研究

摘要：描述了一種基于消息機制構(gòu)建的片上多處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，運用消息進行通信，并且從處理器之間彼此相互獨立，在硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計上保持一致。這樣不僅簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，更使得系統(tǒng)具有一定的容錯性與穩(wěn)定性。最后在Quartus軟件中設(shè)計并且綜合，在該系統(tǒng)下運行JPEG編碼算法，當運行于100 MHz時，測得系統(tǒng)在不同個數(shù)處理器時的處理性能，滿足了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：多處理器；消息機制；FPGA；DMA

引言
如今，數(shù)字處理技術(shù)已得到了廣泛的應用，各種復雜算法的提出與處理精度的提高，都使得需要處理的數(shù)據(jù)量變得越來越大。而提高系統(tǒng)處理性能主要有提高處理器的頻率、采用多處理器系統(tǒng)2種方法。在單處理器頻率提升達到瓶頸的情況下，多處理器系統(tǒng)成為提高系統(tǒng)性能的一種有效方式。
近年來，多處理器系統(tǒng)的應用已經(jīng)越來越廣泛，但大部分的多處理器系統(tǒng)都是針對特定的應用對象進行設(shè)計，這類系統(tǒng)耦合度高，任務分解充分，執(zhí)行效率高。同時，這類系統(tǒng)開發(fā)難度較大，針對性強，不具有通用性，且當系統(tǒng)中的某個處理器出現(xiàn)問題時，整個系統(tǒng)將面臨崩潰。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，提升多處理器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文提出了一種基于消息機制構(gòu)建的多處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主處理器運行管理系統(tǒng)，從處理器完成用戶指定的任務。從處理器彼此之間相互獨立，可相互替代，并在硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計上保持一致。這樣不僅簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，更使得系統(tǒng)具有一定的容錯性與穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，本設(shè)計達到了預期效果。

1 多處理器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計的多處理器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要包括一個主控制器模塊及多個從處理器模塊。

主控制器主要負責消息的分配與跟蹤，控制DMA進行數(shù)據(jù)的快速移動等。從處理器則根據(jù)主控制器分配的任務執(zhí)行相應的處理。系統(tǒng)上還集成了多種系統(tǒng)外設(shè)，如RS232、定時器、JTAG接口、多種存儲控制器等。
主控制器模塊及從處理器模塊中使用的處理器是Nios Ⅱ嵌入式軟核處理器，選用的是快速型。該處理器是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式處理器，可根據(jù)需要配置為快速、標準、經(jīng)濟3種類型，提供滿足性能與成本的最佳方案。每個模塊中都配備1個FIFO，用于存儲消息；配備2個RAM存儲器，組成乒乓結(jié)構(gòu)，用于存儲原始數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù)，同時可用于DMA傳輸控制。
主控制器模塊與多個從處理器模塊構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。主控制器集中管理所有的從處理器模塊；所有的從處理器模塊相互獨立，互不影響，運行時可相互替代。主控制器模塊與系統(tǒng)的所有外設(shè)及所有的從處理器模塊都是通過Avalon總線相互連接。該總線是一種協(xié)議較為簡單的片內(nèi)總線，處理器可通過該總線與外界進行數(shù)據(jù)交換。

2 通信機制的設(shè)計
在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，各個模塊之間都采用消息進行通信，如主控制器與從處理器之間的通信、處理任務的分配、處理結(jié)果的反饋等。對于數(shù)據(jù)的傳遞，如果數(shù)據(jù)量比較小，可以把數(shù)據(jù)附在消息中進行傳遞；如果數(shù)據(jù)量比較大，則用DMA進行存儲器到存儲器之間的快速移動。
2. 1 消息結(jié)構(gòu)的設(shè)計
消息是該系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)運行的重要環(huán)節(jié)，因此定義一種結(jié)構(gòu)通用又易于識別的消息結(jié)構(gòu)顯得十分重要。在該系統(tǒng)中，采用的是可變長度的消息結(jié)構(gòu)：{類型；長度；子類型；參數(shù)1；參數(shù)2；…；參數(shù)N}。
其中長度指的是其后的數(shù)據(jù)個數(shù)，不包括類型及自身。這樣處理有利于消息的傳遞與讀取。在消息結(jié)構(gòu)中，類型、長度、子類型這3個字段在消息中的位置固定，有利于消息的解析。如根據(jù)消息中的類型與子類型字段，可快速轉(zhuǎn)到相應的處理函數(shù)進行處理，根據(jù)長度字段，可準確地判斷消息中參數(shù)的個數(shù)；將“子類型”排在“長度”之后，則有利于消息的讀取。
2．2 消息的傳遞
消息的傳遞過程就是向目標消息存儲器FIFO寫入消息數(shù)據(jù)的過程。由于系統(tǒng)采用的是主從結(jié)構(gòu)，當消息在控制器與處理器之間的不同方向傳遞時，傳遞過程并不相同。