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　　集成在virtex-iipro器件中的powerpc405，是一個(gè)32位risc硬核，它支持coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。使用coreconnect總線，可以方便地控制多個(gè)外設(shè)。在edk集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，對(duì)于多個(gè)外設(shè)，每個(gè)外設(shè)都有對(duì)應(yīng)的任務(wù)。powerpc405默認(rèn)的嵌入式內(nèi)核是standalone，在其上開(kāi)發(fā)的多個(gè)任務(wù)是宏觀串行執(zhí)行的，只有利用參數(shù)傳遞或全局參變量來(lái)建立各任務(wù)間的關(guān)系。在很多情況下，系統(tǒng)需要多個(gè)任務(wù)系統(tǒng)宏觀并行執(zhí)行，使用standalone顯然是不合適的。而通過(guò)把嵌入的standalone內(nèi)核改變?yōu)閑dk自帶的xilkernel內(nèi)核，適當(dāng)?shù)馗淖冘浖脚_(tái)設(shè)置的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行。xilkernel也支持多任務(wù)間通訊和中斷。根據(jù)各種通訊方式，也可以建立各個(gè)任務(wù)之間的聯(lián)系;通過(guò)中斷，處理器可以及時(shí)響應(yīng)外設(shè)產(chǎn)生的事件。

　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，powerpc405使用fpga外部的存儲(chǔ)單元，使用coreconnect總線和外圍接口。coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合可以重復(fù)使用，使系統(tǒng)整合變的更加容易。

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　　圖1powerpc405硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　coreconnect總線結(jié)構(gòu)

　　plb總線接口：用于powerpc405內(nèi)核與高性能設(shè)備的連接。plb接口包括isplb接口和dsplb接口兩種。其中，isplb接口用于外設(shè)與powerpc405指令緩沖的連接，dsplb接口用于外設(shè)與powerpc405數(shù)據(jù)緩沖的連接。

　　opb總線接口：片上外設(shè)總線，內(nèi)核通過(guò)opb來(lái)訪問(wèn)低速和低性能的系統(tǒng)資源。它不是直接連接到處理器內(nèi)核。處理器內(nèi)核借助于“plbtoopb”橋，通過(guò)opb訪問(wèn)從外設(shè);opb總線控制器的外設(shè)可以借助“opbtoplb”橋，通過(guò)plb訪問(wèn)存儲(chǔ)器。

　　硬件平臺(tái)構(gòu)件

　　在edk集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，由用戶向?qū)蒻hs文件，用戶也可以根據(jù)mhs文件的語(yǔ)法添加自定義的外設(shè)。mhs文件用于描述硬件體系結(jié)構(gòu)，其主要包括平臺(tái)的處理器類型、總線結(jié)構(gòu)、外圍接口、中斷處理和地址空間。

　　edk工具platgen使用mhs文件作為輸入來(lái)創(chuàng)建硬件平臺(tái)，它創(chuàng)建不同形式的網(wǎng)表文件(ngc，edif)，下游工具的支持文件和頂級(jí)hdl包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺(tái)。

　　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在edk集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，mss文件用于描述軟件體系結(jié)構(gòu)，其主要定義了平臺(tái)的內(nèi)核、軟件庫(kù)、驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)的參數(shù)。

　　edk工具libgen使用mss文件作為輸入，定制驅(qū)動(dòng)、庫(kù)、文件系統(tǒng)和中斷處理程序。

　　xilkernel模塊結(jié)構(gòu)

　　xilkernel模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，xilkernel提供與內(nèi)核的posix接口。但并不是每一個(gè)通過(guò)posix定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個(gè)精細(xì)選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持posix線程、posix無(wú)名信號(hào)量、xsi消息隊(duì)列、posix互斥鎖、中斷處理等。

　　xilkernel的軟件平臺(tái)配置

　　xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)為可以和edk軟件和硬件流緊密共同工作，完全被整合在軟件平臺(tái)配置和自動(dòng)的庫(kù)、板級(jí)支持包產(chǎn)生機(jī)制之中。在軟件配置平臺(tái)，可以對(duì)xilkernel支持的功能進(jìn)行配置，下面介紹一些主要的配置：

　　a、指定系統(tǒng)定時(shí)器的頻率值和時(shí)間片間隔。

　　b、指定系統(tǒng)可以運(yùn)行的線程數(shù)量、任務(wù)調(diào)度方式(這里我們?cè)O(shè)置為優(yōu)先級(jí)搶占方式，以保證重要的突發(fā)事件及時(shí)得到處理)和系統(tǒng)中斷控制器。

　　c、配置系統(tǒng)的通訊方式，可以通過(guò)這些開(kāi)關(guān)來(lái)確定系統(tǒng)需要的通訊方式，并可以確定各個(gè)通訊方式的參數(shù)。包括消息隊(duì)列、信號(hào)量等。

　　d、指定系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù)，也就是完全進(jìn)入內(nèi)核后執(zhí)行的第一個(gè)任務(wù)，可以在這個(gè)任務(wù)里產(chǎn)生和設(shè)置系統(tǒng)需要的其它任務(wù)。

　　e、一些增強(qiáng)系統(tǒng)功能的設(shè)置等等。

　　主要任務(wù)間的通訊方式和中斷

　　必需的配置

　　首先要生成連接腳本，是通過(guò)硬件需要生成的，此腳本反映了xilkernel需要的不同的段存儲(chǔ)器。比如.vectors段被分配于一個(gè)有64kb地址邊界的存儲(chǔ)器的開(kāi)始，而.boot段在0xfffffffc處。其余的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以放在任何地方。

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　　圖2xilkernel模塊結(jié)構(gòu)

　　其次，xilkernel是作為一個(gè)庫(kù)來(lái)架構(gòu)的。這意味著應(yīng)用程序源文件僅需要連接xilkernel，就能夠訪問(wèn)xilkernel的功能。這些需要設(shè)置編譯器的庫(kù)連接選項(xiàng)為xilkernel，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應(yīng)用程序提供main()入口，然后通過(guò)調(diào)用xilkernel_main()作為內(nèi)核的入口點(diǎn)。產(chǎn)生庫(kù)、bsp并編譯程序后，xilkernel將自動(dòng)作為系統(tǒng)啟動(dòng)、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)核入口代碼：

　　#include"xmk.h"

　　/*定義和聲明*/

　　intmain()

　　{

　　/*用戶完成預(yù)處理，不允許調(diào)用內(nèi)核接口*/

　　xilkernel_main();/*開(kāi)始內(nèi)核*/

　　/*程序不會(huì)執(zhí)行到這里*/

　　}

　　/*系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù)*/

　　void*first_thread()

　　{

　　/*產(chǎn)生一些線程來(lái)處理用戶需要*/

　　}

　　線程的創(chuàng)建

　　線程的創(chuàng)建及屬性的簡(jiǎn)單設(shè)置可以由下面幾個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

　　intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr)

　　intpthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t*attr,structsched_param*schedpar)

　　intpthread_create(pthread_tthread,pthread_attr_t*attr,void*(*start_func)(void*),void*param)

　　pthread_attr_init()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來(lái)設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)，attr是線程的屬性，schedpar是包含有線程優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。pthread_create()創(chuàng)建一個(gè)線程，thread表明線程id，attr指出線程屬性，start_func函數(shù)指針是線程創(chuàng)建成功后開(kāi)始執(zhí)行的函數(shù)，param是這個(gè)函數(shù)的一個(gè)唯一的參數(shù)。

　　在靜態(tài)任務(wù)中調(diào)用這些函數(shù)來(lái)產(chǎn)生一些有優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如下例：

　　staticpthread_ttid0,tid1;

　　staticpthread_attr_tattr;

　　staticstructsched_paramprio;

　　void*first_thread(){......

　　pthread_attr_init(&attr);

　　prio.sched_priority=4;

　　pthread_attr_setschedparam(&attr,&prio);

　　ret=pthread_create(&tid0,&attr,(void*)important_task,null);

　　pthread_attr_init(&attr);

　　prio.sched_priority=5;

　　pthread_attr_setschedparam(&attr,&prio);

　　ret=pthread_create(&tid1,&attr,(void*)second_important_task,null);

　　......

　　}

　　這樣，系統(tǒng)會(huì)發(fā)起important_task和second_important_task兩個(gè)任務(wù)，important_task的優(yōu)先級(jí)比second_important_task高，會(huì)優(yōu)先運(yùn)行。除非important_task任務(wù)阻塞或退出，second_important_task才可能得到運(yùn)行。

　　posix無(wú)名信號(hào)量

　　信號(hào)量提供高速的任務(wù)間同步和互斥機(jī)制。對(duì)于互斥，信號(hào)量可以上鎖共享資源，使得該共享資源在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程所擁有。關(guān)于此信號(hào)量的一些常用函數(shù)如下：

　　intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);

　　intsem_wait(sem_t*sem);

　　intsem_post(sem_t*sem);

　　sem_init()創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，并初始化信號(hào)量的值為value;sem_wait()調(diào)用將阻塞進(jìn)程，直到信號(hào)量的值大于0，此函數(shù)返回時(shí)信號(hào)量的值減1;sem_post()是將信號(hào)量的值加1，并發(fā)出信號(hào)喚醒等待的進(jìn)程。

　　信號(hào)量用于同步，一般要初始化為0，等待要同步的任務(wù)阻塞在sem_wait()調(diào)用上。任務(wù)調(diào)用sem_post來(lái)解鎖該信號(hào)量，來(lái)達(dá)到同步。下面一個(gè)例子是用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步操作的：

　　staticsem_tprotect;

　　void*first_thread(){......

　　sem_init(&protect,1,0);

　　......

　　}

　　void*thread_func1(){......

　　while(1){

　　sem_wait(&protect);

　　......

　　}

　　}

　　void*thread_func2(){......

　　while(1){......

　　if(某種條件成立)sem_post(&protect);

　　}

　　}

　　當(dāng)信號(hào)量用于互斥時(shí)，一般要初始化為一個(gè)大于0的值，就可以讓資源可用。如果信號(hào)量的初始值為1，第一個(gè)上鎖該信號(hào)量的線程會(huì)立即執(zhí)行，后繼的線程將會(huì)阻塞，直到下次信號(hào)量解鎖才會(huì)執(zhí)行。

　　xsi消息隊(duì)列

　　消息隊(duì)列允許長(zhǎng)度可變、數(shù)目可變的消息排隊(duì)。任何任務(wù)或中斷服務(wù)程序可以發(fā)送消息到消息隊(duì)列。任何任務(wù)可從消息隊(duì)列接收消息。關(guān)于此消息隊(duì)列的一些常用函數(shù)如下：

　　intmsgget(key_tkey,intmsgflg)

　　intmsgsnd(intmsqid,constvoid*msgp,size_tmsgsz,intmsgflg)

　　ssize_tmsgrcv(intmsqid,void*msgp,size_tnbytes,longmsgtyp,intmsgflg)

　　msgget()來(lái)創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列，key是消息隊(duì)列的標(biāo)識(shí)符，msgflag目前有兩個(gè)選項(xiàng)，ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函數(shù)往隊(duì)列發(fā)送一條消息，msgp是消息緩沖指向的指針，msgsz表示消息的字節(jié)數(shù)。msgrcv()函數(shù)作用是從消息隊(duì)列中讀取消息，把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區(qū)，nbytes表示緩沖支持的消息字節(jié)數(shù)。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊(duì)列描述符，用來(lái)標(biāo)識(shí)相關(guān)的消息隊(duì)列。下面是消息隊(duì)列單向通信的簡(jiǎn)單代碼：

　　struct_msg{

　　shorttype;

　　charfirst;

　　charlast;

　　};

　　staticstruct_msgmsg_p;

　　staticstruct_msgmsg_c;

　　staticintmsgid;

　　void*first_thread(){......

　　msgid=msgget(5,ipc_creat|ipc_excl);

　　......

　　}

　　void*consumer()

　　{

　　while(1){

　　msgrcv(msgid,&msg_c,4,0,0);

　　......

　　}

　　}

　　void*producer()

　　{

　　while(1){......

　　msgsnd(msgid,&msg_p,4,0);

　　}

　　}

　　在例子開(kāi)始，建立消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在producer()中操作消息的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中，如果消息隊(duì)列里沒(méi)有消息，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊(duì)列非空時(shí)，msgsnd()才把消息復(fù)制到msg_p指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，此時(shí)此線程開(kāi)始執(zhí)行，并可以對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理。

　　中斷

　　xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)為可以和多個(gè)中斷設(shè)備共同工作，用戶用opb_intcip核作為中斷控制器來(lái)處理硬件中斷。xilkernel僅支持一個(gè)中斷控制器來(lái)連接ppc405的外部中斷引腳，而且不支持中斷控制器連接臨界的中斷。對(duì)于中斷程序設(shè)計(jì)，xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。

　　在xilkernel_main()中已經(jīng)完成了初始化powerpc405的中斷表，并能使了中斷控制器連接在處理器上的非臨界的中斷。下面是摘抄xilkernel_main()內(nèi)部執(zhí)行相關(guān)代碼：

　　xexc_init();/*初始化powerpc405的中斷表*/

　　xexc_menableexceptions(xexc_non_critical);/*能使非臨界中斷*/

　　下面是開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開(kāi)始接收中斷;其次，把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上;再就是注冊(cè)此非臨界中斷;最后能使此中斷。下面是一個(gè)串口中斷接收的簡(jiǎn)單代碼：

　　void*first_thread(){......

　　xintc_mmasterenable(xpar_myintc_baseaddr);

　　xintc_menableintr(xpar_myintc_baseaddr,xpar_myuart_interrupt_mask);

　　xintc_registerhandler(xpar_myintc_baseaddr,xpar_myuart_interrupt_intr,

　　(xinterrupthandler)uart_int_handler,(void*)xpar_myintc_baseaddr);

　　xuartlite_menableintr(xpar_myuart_baseaddr);

　　......

　　}

　　voiduart_int_handler(void*baseaddr_p){/*中斷處理程序*/while(!xuartlite_misreceiveempty(xpar_myuart_baseaddr)){

　　ch=xuartlite_recvbyte(xpar_myuart_baseaddr);

　　......

　　}

　　}

　　一個(gè)中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應(yīng)該盡量短，如果中斷處理程序不能完全處理此事件，可以由信號(hào)量同步發(fā)起一個(gè)任務(wù)來(lái)處理本事件。

　　結(jié)語(yǔ)

　　xilinx公司的vritex-iipro實(shí)現(xiàn)了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)，其出眾的性能受到高端應(yīng)用的青睞。在此平臺(tái)上利用xilkernel嵌入式操作系統(tǒng)，為嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了極大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈性。本文僅介紹了幾種常用的基于xilkernel的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時(shí)器等實(shí)現(xiàn)其它的功能。讀者也可以根據(jù)嵌入式開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和xilkernel的強(qiáng)大功能，構(gòu)建復(fù)雜的fpga嵌入式系統(tǒng)。