ZYNQ之双核通讯原理以及程序设计

1.简介

zynq系列开发板有两个板载Cortex-A9处理器，两个ARM可以协同处理数据。
多核处理器硬件上的划分
  1.同构多核：系统中的多个处理器在结构上是相同的；
        优点是硬件和软件设计上较为简单，通用性高。
  2.异构多核：系统中的处理器结构上是不同的；
        优点是在某些特定场合，专用的硬件加速核可以提高性能。
ZYNQ中的两个Cortex-A9处理器+可编程逻辑器件FPGA组成了异构多核处理器。
多核处理器从软件运行方式上划分
  AMP(Asymmetric Muti-processing)：非对称多处理
    多个内核相对独立的运行不同的任务，每个内核相互隔离，可以运行不同的操  作系统或者裸机程序。
  SMP(Symmetric Muti-processing):
    多个处理器运行一个操作系统，这个操作系统同等的管理多个内核。
  BMP(Bound Muti-processing)：混合多模式
    BMP与SMP类似，但是开发者可以指定将某个任务仅在某个指定内核上执行。

AMP模式下要注意不要两个CPU一起访问同一个地址或者共享外设。

2.CPU之间通讯原理

2.1 通讯步骤

1.系统初始化
2.启动CPU1
3.和CPU1进行通讯
4.共享CPU外设

2.2 CPU资源

  CPU资源分为私有资源和公共资源。私有资源是每个CPU都有的资源，只能被各自的CPU访问，访问时无需注意冲突。公共资源为CPU之间共享的资源，访问时要注意访问冲突。
  私有资源： L1Cache、PPI（Private peripheral interrupts）、MMU（Memory management unit）。
  公共资源： L2Cache、DDR存储器、OCM(on chip memory)、ICD（Interrupt control distributor）、全局时钟和其他外等。

  OCM用来和CPU之间的通讯的，与DDR相比，OCM具有更高的性能和更低的延迟。用于小数据量（256KB一下）用OCM更好。
  避免同时访问的方法
  DDR：CPU0只能访问0x00100000至0x001FFFFF,CPU1只能访问0x00200000到0x002FFFFF（可人为更改）
  L2Cache:CPU0使用，CPU1不使用。
  ICD:中断来自PL，连接到CPU1。
  Timer（定时器）:只有CPU1使用。
  OCM:OCM的某一地址进行标志。当标志为0时这个地址是某个CPU私有的；为1时，这个地址是另一个CPU私有的。或者软件产生中断的方式。

2.3 软件设计

软件设计分为三个阶段
1.First stage boot loader(FSBL):第一启动阶段
2.Bare-metal application for CPU0：裸机应用程序
3.Bare-metal application for CPU1：裸机应用程序
FSBL
  一直运行在CPU上面，是开发板上电之后启动先启动Boot rom,后启动FSBL，负责配置PL然后拷贝两个处理器的应用程序（ELF）加载到DDR中，然后开始运行第一个应用程序。
Bare-metal application Code
  两个CPU运行各自的裸机的程序，CPU负责初始化共享外设，并且负责启动CPU1.
CPU0 Application
  内存的起始地址为0x00100000。这个起始地址可以在链接脚本进行修改的。
  CPU0的配置步骤：
  1.配置MMU来禁止cache缓存功能0xFFFF0000至0xFFFFFFFF来保证两个CPU访问OCM的一致性。地址映射不可修改。
  2.初始化ICD
  3.启动CPU1
  4.通过串口打印信息
  5.设置OCM的地址作为信号量
  6.等待地址里面的信号量被清除。
  Boot rom代码执行后，CPU1也会在OCM的0xFFFFFF00地址上执行一段代码。功能是检查地址0xFFFFFFF0的值是否为1来等待事件到来。
  CPU0启动CPU1是通过向地址0x00200000写入地址0xFFFFFFF0然后CPU0运行Set Event（SEV）命令启动CPU1。CPU1会读取0xFFFFFFF0里面的值0x00200000。然后跳转到该地址执行程序。
  CPU1的配置步骤

3 如何避免多个CPU同时访问OCM

  CPU0向OCM写入一个数据之后，给CPU1产生软件中断。让CPU1知道CPU0已经不再操作该地址。此时CPU1读取数据，读取完毕后产生一个中断通知CPU0。
  软件中断（SGIs）：中断来自CPU内部,每个CPU可以中断自己或者另外的CPU或者一起中断，每个CPU有16个中断号，编号为0到15。向寄存器（ICDSGIR）写入中断号并且指定CPU。目标的CPU即可产生中断。
  OCM:PS的片上存储器，包括256KB的RAM和128KB的ROM（BootROM）。地址范围为0x00000000到0002FFFF的三个64KB加上0xFFFF_0000到0xFFFF_FFFF共256KB。

4 程序设计

4.1 程序任务

  CPU0接收串口数据并写入OCM中，然后利用软件中断触发CPU1;CPU1接收到中断后，根据从OCM中读出的数据控制呼吸灯的频率，并在控制结束后触发CPU0的中断，实现双核CPU通信的功能。

4.2 系统框图

4.3 软件操作

4.4 代码

4.4.1 CPU0_UART

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// Descriptions:        CPU0应用程序
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// Descriptions:        The original version
//
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//****************************************************************************************//#include "xparameters.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xil_mmu.h"
#include "stdio.h"//宏定义
#define INTC_DEVICE_ID	     XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID //中断ID
#define SHARE_BASE           0xffff0000                   //共享OCM首地址
#define CPU1_COPY_ADDR       0xfffffff0                   //存放CPU1应用起始地址的地址
#define CPU1_START_ADDR      0x10000000                   //CPU1应用起始地址#define CPU1_ID              XSCUGIC_SPI_CPU1_MASK        //CPU1 ID
#define SOFT_INTR_ID_TO_CPU0 0                            //软件中断号 0 ,范围：0~15
#define SOFT_INTR_ID_TO_CPU1 1                            //软件中断号 1 ,范围：0~15//"SEV"指令唤醒CPU1并跳转至相应的程序
#define sev()                __asm__("sev")               //C语言内嵌汇编写法 send event指令//函数声明
void start_cpu1();
void cpu0_intr_init(XScuGic *intc_ptr);
void soft_intr_handler(void *CallbackRef);//全局变量
XScuGic Intc;                    //中断控制器驱动程序实例
int rec_freq_flag = 0;           //接收到呼吸灯频率设置的标志
int freq_gear;                   //频率档位//CPU0 main函数
int main()
{//S=b1 TEX=b100 AP=b11, Domain=b1111, C=b0, B=b0Xil_SetTlbAttributes(SHARE_BASE,0x14de2);    //禁用OCM的Cache属性//S=b1 TEX=b100 AP=b11, Domain=b1111, C=b0, B=b0Xil_SetTlbAttributes(CPU1_COPY_ADDR,0x14de2);//禁用0xfffffff0的Cache属性//启动CPU1start_cpu1();//CPU0中断初始化cpu0_intr_init(&Intc);while(1){if(rec_freq_flag == 0){xil_printf("This is CPU0,Please input the numbers 1~5 to change ""breath led frequency\r\n");scanf("%d",&freq_gear);if(freq_gear >= 1 && freq_gear <=5){xil_printf("You input number is %d\r\n",freq_gear);//向共享的地址中写入输入的数据Xil_Out8(SHARE_BASE,freq_gear);//给CPU1触发中断XScuGic_SoftwareIntr(&Intc,SOFT_INTR_ID_TO_CPU1,CPU1_ID);rec_freq_flag = 1;}else{xil_printf("Error,The number range is 1~5\r\n");xil_printf("\r\n");}}}return 0 ;
}//启动CPU1，用于固化程序
void start_cpu1()
{//向 CPU1_COPY_ADDR(0Xffffffff0)地址写入 CPU1 的访问内存基地址Xil_Out32(CPU1_COPY_ADDR, CPU1_START_ADDR);dmb();  //等待内存写入完成(同步)sev();  //通过"SEV"指令唤醒CPU1并跳转至相应的程序
}//CPU0中断初始化
void cpu0_intr_init(XScuGic *intc_ptr)
{//初始化中断控制器XScuGic_Config *intc_cfg_ptr;intc_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);XScuGic_CfgInitialize(intc_ptr, intc_cfg_ptr,intc_cfg_ptr->CpuBaseAddress);//设置并打开中断异常处理功能Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, intc_ptr);Xil_ExceptionEnable();XScuGic_Connect(intc_ptr, SOFT_INTR_ID_TO_CPU0,(Xil_ExceptionHandler)soft_intr_handler, (void *)intc_ptr);XScuGic_Enable(intc_ptr, SOFT_INTR_ID_TO_CPU0); //CPU0软件中断
}//软件中断函数
void soft_intr_handler(void *CallbackRef)
{xil_printf("This is CPU0,Soft Interrupt from CPU1\r\n");xil_printf("\r\n");rec_freq_flag = 0;
}

4.4.2 CPU1_LED

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// File name:           cpu1_led
// Last modified Date:  2019/6/8 17:25:36
// Last Version:        V1.0
// Descriptions:        CPU1应用程序
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// Version:             V1.0
// Descriptions:        The original version
//
//----------------------------------------------------------------------------------------
//****************************************************************************************//#include "xparameters.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xil_mmu.h"
#include "stdio.h"
#include "breath_led_ip.h"//宏定义
#define INTC_DEVICE_ID	     XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID //中断ID
#define SHARE_BASE  	     0xffff0000                   //共享OCM首地址#define CPU0_ID              XSCUGIC_SPI_CPU0_MASK        //CPU0 ID
#define SOFT_INTR_ID_TO_CPU0 0                            //软件中断号 0 ,范围：0~15
#define SOFT_INTR_ID_TO_CPU1 1                            //软件中断号 1 ,范围：0~15#define  LED_IP_BASEADDR     XPAR_BREATH_LED_IP_0_S0_AXI_BASEADDR //LED IP基地址
#define  LED_IP_REG0         BREATH_LED_IP_S0_AXI_SLV_REG0_OFFSET //LED IP寄存器地址0
#define  LED_IP_REG1         BREATH_LED_IP_S0_AXI_SLV_REG1_OFFSET //LED IP寄存器地址1//函数声明
void cpu1_intr_init(XScuGic *intc_ptr);
void soft_intr_handler(void *CallbackRef);//全局变量
XScuGic Intc;               //中断控制器驱动程序实例
int soft_intr_flag = 0;     //软件中断的标志
int freq_gear;              //频率档位//CPU1 main函数
int main()
{int freq_step = 0;//S=b1 TEX=b100 AP=b11, Domain=b1111, C=b0, B=b0Xil_SetTlbAttributes(SHARE_BASE,0x14de2);    //禁用OCM的Cache属性//CPU1中断初始化cpu1_intr_init(&Intc);//打开呼吸灯BREATH_LED_IP_mWriteReg(LED_IP_BASEADDR, LED_IP_REG0, 1);while(1){if(soft_intr_flag){freq_gear = Xil_In8(SHARE_BASE);     //从共享OCM中读出数据xil_printf("CUP1 Received data is %d\r\n",freq_gear) ;switch(freq_gear){case 1 : freq_step = 20;break;case 2 : freq_step = 50;break;case 3 : freq_step = 100;break;case 4 : freq_step = 200;break;case 5 : freq_step = 500;break;default : freq_step = 50;break;}//设置呼吸灯频率,最高位为1，设置有效BREATH_LED_IP_mWriteReg(LED_IP_BASEADDR,LED_IP_REG1,(0x80000000|freq_step));//给给CPU0触发中断XScuGic_SoftwareIntr(&Intc,SOFT_INTR_ID_TO_CPU0,CPU0_ID);soft_intr_flag = 0;}}return 0 ;
}//CPU1中断初始化
void cpu1_intr_init(XScuGic *intc_ptr)
{//初始化中断控制器XScuGic_Config *intc_cfg_ptr;intc_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);XScuGic_CfgInitialize(intc_ptr, intc_cfg_ptr,intc_cfg_ptr->CpuBaseAddress);//设置并打开中断异常处理功能Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, intc_ptr);Xil_ExceptionEnable();XScuGic_Connect(intc_ptr, SOFT_INTR_ID_TO_CPU1,(Xil_ExceptionHandler)soft_intr_handler, (void *)intc_ptr);XScuGic_Enable(intc_ptr, SOFT_INTR_ID_TO_CPU1); //CPU1软件中断
}//软件中断函数
void soft_intr_handler(void *CallbackRef)
{xil_printf("This is CUP1,Soft Interrupt from CPU0\r\n") ;soft_intr_flag = 1;
}