1.2.3 處理器之間的通信與同步
在Xilinx SOPC系統設計中，常用的處理器之間的通信模塊是Shared Memory和Mailbox，同步控制模塊是Mutex，調試模塊是MDM[7]。
Shared Memory共有兩個通信端口，它通過存儲器控制端口分別連接到系統的兩條PLBv46總線上。系統通過處理器對Shared Memory模塊進行讀寫操作完成通信。Shared Memory可以由片上本地存儲器或者外部存儲器構成。當信息傳輸量比較大時，Shared Memory的異步傳輸效率比較高，它支持零拷貝或者原狀信息隊列拷貝。

利用Mailbox也可以進行處理器之間的通信[8]。關于Mailbox，有如下一些特征描述：

① Mailbox可以認為是處理器之間的類似于TCP/IP的一個簡單的通信協議。

② 處理器之間通過Mailbox通信有同步和異步之分：同步主要體現在處理器之間的通信上，接收者實時地讀取Mailbox中的數據；異步主要體現在處理器之間的中斷上，發送者通過Mailbox發送中斷信息給接收者，接收者收到中斷后反饋給發送者。

③ 每一個Mailbox核都有一個FIFO和一個雙端隊列，分別用來發送和接收信息，用戶可以根據自己的需要對它們的深度進行配置，主要通過分布式的RAM或者BRAM來實現。

④ Mailbox共有兩個端口分別連接到系統的兩個總線上來實現處理器之間的通信。

⑤ Mailbox軟核比較適合傳輸信息量小于100字節的信息，發送者需要從本地或者外部存儲器拷貝整個信息到FIFO，然后，接收者同步地拷貝整個信息到自己的存儲器中，因此，Mailbox不適合傳輸信息量較大的信息，這些將會耗費掉處理器的一些時鐘周期。

⑥ 處理器間的中斷是指一個處理器去中斷另一個處理器的行為，通過Mailbox的異步通信來實現，處理器發送中斷就是往Mailbox里寫入一個信息，然后Mailbox通過中斷控制器對接收者產生一個中斷，接收者收到中斷以后會反饋給發送者，當Mailbox中沒有新的信息時，中斷為無效狀態。

本文在SOPC系統設計中，用到的同步控制模塊是Mutex[7]。此模塊主要有以下特點：

① 存儲器映像以后，Mutex寄存器的數量可配置這些寄存器中有分別存儲數據和處理器ID的區域，Mutex寄存器中的數據和ID分別通過Mutex進行測試和設置。

② 復位時，Mutex的值變為0，它表示Mutex處于開鎖狀態（UNLOCK），并且其中的處理器ID號沒有賦值，當Mutex處于鎖定狀態（LOCK）時，其中的值保持不變。

③ 處理器通過軟件賦值的方式將各自的處理器ID號寫入到相應的Mutex寄存器中，從而獲得Mutex的使用權，當兩個處理器同步訪問Mutex寄存器時，每個處理器都會讀取Mutex寄存器中的值，然后和自己的ID號進行比較，比較匹配的處理器才可訪問Mutex寄存器，修改其中的數據。

MicroBlaze核通過處理器調試口與MDM（Microprocessor Debug Module）調試模塊相連[4]。調試模塊MDM可以調試系統中的每一個處理器。MDM的特點如下：

① MDM的調試端口數目是可配置的，最多可以達到8個。

② MDM提供一個JTAG UART接口通向系統中的某個處理器，這個UART接口是通過PLBv46總線接口連接到處理器上的。

③ MDM不會自動地調試每個處理器，用戶必須通過輸入調試命令來進行選擇性的調試。

1.3 軟件設計

1.3.1 存儲器映像
為了保證每個處理器在執行軟件部分時不發生沖突，必須對其存儲器進行存儲器映像[8]。圖2是存儲器映像圖。

圖2 處理器的存儲器映像圖

從圖2中可以看出，用戶可以靈活地為兩個ELF文件分配適當大小的存儲器空間作為ELF文件的映射地址范圍。由于boot（引導）存儲器不可以共享，所以ELF文件的boot部分（.vectors*）被映射到私有存儲器中，它可以實現MicroBlaze處理器隨時調用，也可以引導ELF文件加載到DDR中。Heap和stack的范圍表示ELF文件在DDR中映像的存儲器大小。boot存儲器的大小表示boot部分所能引導的DDR的范圍。ELF文件的位置和輸出鏈接腳本的位置可以根據用戶的需求選擇。每個可執行文件的存儲器映像地址都是通過編譯器來實現的，實現以后被傳到鏈接器，生成鏈接腳本[9]。

1.3.2 通信與同步
利用Shared Memory模塊通信是處理器之間最常用的通信方式。其通信接口函數如下：
SHM_WRITEAREA( );/*向Shared Memory中寫數據*/
SHM_READAREA( );/*從Shared Memory中讀數據*/

利用Mailbox模塊可以實現處理器之間的信息傳遞和中斷。這在軟件設計中主要體現在以下代碼行中：
XMbox_WriteBlocking ( ); /*向Mailbox中寫數據*/
XMbox_ReadBlocking ( );/*從Mailbox中讀數據*/

在軟件應用設計中，兩個處理器之間的同步是通過 Mutex Locks實現的，它的狀態有LOCK和 UNLOCK之分。Mutex狀態的操作主要體現在以下命令行中:
MLOCK (); /*使用之前LOCK*/
MUNLOCK (); /*使用之后UNLOCK*/

軟件的調試（debug）需要手工地選擇處理器，兩個處理器不可以同時調試[10]。在XMD Console中的調試命令主要有：
debugconfig –reset_on_run disable/*下載時避免復位*/
dow executable.elf /*下載ELF文件*/
run /*運行*/

2 實驗結果

本設計采用調試模塊分別對兩個處理器進行調試，通過超級終端輸出測試結果。

2.1 Mailbox的測試結果

通過Mailbox可以實現處理器之間的中斷和通信。兩處理器首先通過交換字符串“helo BOY”的形式匯合（rendezvous），以此來證明兩個處理器的連接情況。在這里，每次發送的數據包為2 044字節，共發送了3個數據包，都能成功地發送。經驗證，每次發送的信息量最大為4 096字節，可以重復發送。

2.2 Mutex的測試結果

通過Mutex可以實現兩處理器的同步。當兩個MicroBlaze處理器訪問共享資源時，可以用Mutex核修改臨界區域里共享資源的值。臨界區域里的值是隨著處理器的訪問而更新的。在沒有輸出時處理器會鎖定 Mutex核，有輸出時解鎖 Mutex核。同步使得控制臺的輸出結果正確可用，不會出現混亂的狀態。

2.3 Shared Memory的測試結果

通過Shared Memory實現處理器之間的通信。處理器0首先向共享存儲器中寫入一個32位的數據并設置一個共享flag表明數據可用，等待處理器1讀取這個數據。然后，處理器1從共享存儲器中讀取處理器0寫入的數據并設置一個共享flag表明它已經讀取了這個數據。雙處理器會重復這樣的過程，直到達到所設置的最大數目12[8]。

結語

本文以MicroBlaze軟核為基礎，利用XPS作平臺來設計雙MicroBlaze處理器片上系統，此片上系統可以很好地實現兩軟核處理器間的通信和中斷功能，該系統在Xilinx公司的XUPV5LX110T開發板上得到實現，在超級終端中得到驗證。本設計的優點是把處理器核之間的通信、中斷、同步放在了同一系統中進行研究，深入研究了處理器之間的中斷控制。下一步要做的工作是更多核的片上系統設計和操作系統移植。