基于PowerPC405的Xilkernel內核實現多任務操作

摘要：Xilinx Virtex-II Pro是一類FPGA產品，內嵌IBM的硬核PowerPC405。Xilkernel實時操作系統可以工作在PowerPC405上。在工程中應用XilKernel，對于處理系統各個外設產生的事件，可以通過適當地產生和調度多個任務來完成。

引言

集成在Virtex-II Pro器件中的PowerPC405，是一個32位RISC硬核，它支持CoreConnect總線的標準外設集合。使用CoreConnect總線，可以方便地控制多個外設。在EDK集成開發環境下，對于多個外設，每個外設都有對應的任務。PowerPC405默認的嵌入式內核是standalone，在其上開發的多個任務是宏觀串行執行的，只有利用參數傳遞或全局參變量來建立各任務間的關系。在很多情況下，系統需要多個任務系統宏觀并行執行，使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內核改變為EDK自帶的Xilkernel內核，適當地改變軟件平臺設置的內容，就可以實現多個任務的并行執行。Xilkernel也支持多任務間通訊和中斷。根據各種通訊方式，也可以建立各個任務之間的聯系；通過中斷，處理器可以及時響應外設產生的事件。

硬件系統結構

如圖1所示，PowerPC405使用FPGA外部的存儲單元，使用CoreConnect總線和外圍接口。CoreConnect總線的標準外設集合可以重復使用，使系統整合變的更加容易。

圖1  PowerPC405硬件系統結構

CoreConnect總線結構
PLB總線接口：用于PowerPC405內核與高性能設備的連接。PLB接口包括ISPLB接口和DSPLB接口兩種。其中，ISPLB接口用于外設與PowerPC405指令緩沖的連接，DSPLB接口用于外設與PowerPC405數據緩沖的連接。
OPB總線接口：片上外設總線，內核通過OPB來訪問低速和低性能的系統資源。它不是直接連接到處理器內核。處理器內核借助于“PLB to OPB”橋，通過OPB訪問從外設；OPB總線控制器的外設可以借助“OPB to PLB”橋，通過PLB訪問存儲器。

硬件平臺構件
在EDK集成開發環境中，由用戶向導生成MHS文件，用戶也可以根據MHS文件的語法添加自定義的外設。MHS文件用于描述硬件體系結構，其主要包括平臺的處理器類型、總線結構、外圍接口、中斷處理和地址空間。
EDK工具platGen使用MHS文件作為輸入來創建硬件平臺，它創建不同形式的網表文件(NGC，EDIF)，下游工具的支持文件和頂級HDL包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺。

軟件系統結構

在EDK集成開發環境中，MSS文件用于描述軟件體系結構，其主要定義了平臺的內核、軟件庫、驅動程序和文件系統的參數。

EDK工具libGen使用MSS文件作為輸入，定制驅動、庫、文件系統和中斷處理程序。

Xilkernel模塊結構
Xilkernel模塊結構如圖2所示，Xilkernel提供與內核的POSIX接口。但并不是每一個通過POSIX定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個精細選擇的子集，幾乎覆蓋了所有有用的接口和概念。其支持POSIX線程、POSIX無名信號量、XSI消息隊列、POSIX互斥鎖、中斷處理等。

Xilkernel的軟件平臺配置
Xilkernel已經被設計為可以和EDK軟件和硬件流緊密共同工作，完全被整合在軟件平臺配置和自動的庫、板級支持包產生機制之中。在軟件配置平臺，可以對Xilkernel支持的功能進行配置，下面介紹一些主要的配置：
a、指定系統定時器的頻率值和時間片間隔。
b、指定系統可以運行的線程數量、任務調度方式(這里我們設置為優先級搶占方式，以保證重要的突發事件及時得到處理)和系統中斷控制器。
c、配置系統的通訊方式，可以通過這些開關來確定系統需要的通訊方式，并可以確定各個通訊方式的參數。包括消息隊列、信號量等。
d、指定系統的靜態任務，也就是完全進入內核后執行的第一個任務，可以在這個任務里產生和設置系統需要的其它任務。
e、一些增強系統功能的設置等等。

主要任務間的通訊方式和中斷

必需的配置
首先要生成連接腳本，是通過硬件需要生成的，此腳本反映了Xilkernel需要的不同的段存儲器。比如.vectors段被分配于一個有64KB地址邊界的存儲器的開始，而.boot段在0xFFFFFFFC處。其余的代碼和數據存儲器可以放在任何地方。

圖2  Xilkernel模塊結構

其次，Xilkernel是作為一個庫來架構的。這意味著應用程序源文件僅需要連接Xilkernel，就能夠訪問Xilkernel的功能。這些需要設置編譯器的庫連接選項為xilkernel，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應用程序提供main()入口，然后通過調用xilkernel_main()作為內核的入口點。產生庫、BSP并編譯程序后，Xilkernel將自動作為系統啟動、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分。下面是一個簡單的內核入口代碼：
#include "xmk.h"
/* 定義和聲明 */
int main()
{
/* 用戶完成預處理，不允許調用內核接口 */
xilkernel_main ();    /* 開始內核 */
/* 程序不會執行到這里 */
}
/* 系統的靜態任務 */
Void * first_thread ()
{
/* 產生一些線程來處理用戶需要 */
}

線程的創建
線程的創建及屬性的簡單設置可以由下面幾個函數實現：
int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr)
int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr, struct sched_param *schedpar)
    int pthread_create (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr, void* (*start_func)(void*),void* param)
pthread_attr_init()初始化線程的屬性。thread_attr_setschedparam()來設置線程的優先級，attr是線程的屬性，schedpar是包含有線程優先級的數據結構。pthread_create()創建一個線程，thread表明線程ID，attr指出線程屬性，start_func函數指針是線程創建成功后開始執行的函數，param是這個函數的一個唯一的參數。
在靜態任務中調用這些函數來產生一些有優先級的任務。如下例：
static pthread_t tid0,tid1;
static pthread_attr_t attr;
static struct sched_param prio;
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，系統會發起important_task和second_important_task兩個任務，important_task的優先級比second_important_task高，會優先運行。除非important_task任務阻塞或退出，second_important_task才可能得到運行。

POSIX無名信號量
信號量提供高速的任務間同步和互斥機制。對于互斥，信號量可以上鎖共享資源，使得該共享資源在同一時刻只有一個線程所擁有。關于此信號量的一些常用函數如下：
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
sem_init()創建一個信號量，并初始化信號量的值為value；sem_wait()調用將阻塞進程，直到信號量的值大于0，此函數返回時信號量的值減1；sem_post()是將信號量的值加1，并發出信號喚醒等待的進程。
信號量用于同步，一般要初始化為0，等待要同步的任務阻塞在sem_wait()調用上。任務調用sem_post來解鎖該信號量，來達到同步。下面一個例子是用信號量實現同步操作的：
static sem_t    protect;
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);
     }
}
當信號量用于互斥時，一般要初始化為一個大于0的值，就可以讓資源可用。如果信號量的初始值為1，第一個上鎖該信號量的線程會立即執行，后繼的線程將會阻塞，直到下次信號量解鎖才會執行。

XSI消息隊列
消息隊列允許長度可變、數目可變的消息排隊。任何任務或中斷服務程序可以發送消息到消息隊列。任何任務可從消息隊列接收消息。關于此消息隊列的一些常用函數如下：
 int msgget(key_t key, int msgflg)
int msgsnd (int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
ssize_t msgrcv (int msqid, void *msgp, size_t nbytes, long msgtyp, int msgflg)
 msgget()來創建一個消息隊列，key是消息隊列的標識符，msgflag目前有兩個選項，IPC_CREAT和IPC_EXCL。msgsnd()函數往隊列發送一條消息，msgp是消息緩沖指向的指針，msgsz表示消息的字節數。msgrcv ()函數作用是從消息隊列中讀取消息，把接收到的消息拷貝到msgp指針指向的緩沖區，nbytes表示緩沖支持的消息字節數。發送和接收消息中的msqid是消息隊列描述符，用來標識相關的消息隊列。下面是消息隊列單向通信的簡單代碼：
struct _msg {
  short type;
  char  first;
  char  last;
};
static struct _msg msg_p;
static struct _msg msg_c;
static int msgid;
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);
 }
}
在例子開始，建立消息的數據結構。在producer()中操作消息的各項數據，通過msgsnd()發送此消息。在consumer()中，如果消息隊列里沒有消息，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊列非空時，msgsnd()才把消息復制到msg_p指向的數據結構中，此時此線程開始執行，并可以對接收到的消息進行處理。

中斷
Xilkernel已經被設計為可以和多個中斷設備共同工作，用戶用opb_intc IP核作為中斷控制器來處理硬件中斷。Xilkernel僅支持一個中斷控制器來連接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。對于中斷程序設計，Xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法。
在xilkernel_main()中已經完成了初始化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()內部執行相關代碼：
 XExc_Init();     /*初始化PowerPC405的中斷表*/
 XExc_mEnableExceptions (XEXC_NON_CRITICAL);    /*能使非臨界中斷*/
下面是開發應用程序要做的一些工作。首先，使中斷控制器開始接收中斷；其次，把必需的非臨界中斷添加到中斷控制器上；再就是注冊此非臨界中斷；最后能使此中斷。下面是一個串口中斷接收的簡單代碼：
 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);
......
}
void uart_int_handler(void *baseaddr_p) {/* 中斷處理程序 */ while(!XUartLite_mIsReceiveEmpty (XPAR_MYUART_BASEADDR)) {
   ch = XUartLite_RecvByte( XPAR_MYUART_BASEADDR);
   ......
  }
}
 一個中斷事件和中斷處理程序相連接。而中斷處理程序應該盡量短，如果中斷處理程序不能完全處理此事件，可以由信號量同步發起一個任務來處理本事件。

結語

Xilinx公司的Vritex-II Pro實現了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設計平臺，其出眾的性能受到高端應用的青睞。在此平臺上利用Xilkernel嵌入式操作系統，為嵌入式應用開發提供了極大的系統結構靈活性。本文僅介紹了幾種常用的基于Xilkernel的嵌入式應用程序設計方法，讀者還可以利用互斥、軟件定時器等實現其它的功能。讀者也可以根據嵌入式開發的經驗和Xilkernel的強大功能，構建復雜的FPGA嵌入式系統。■