基于消息機制的片上多處理器系統的研究

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

引言
如今，數字處理技術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據量變得越來越大。而提高系統處理性能主要有提高處理器的頻率、采用多處理器系統2種方法。在單處理器頻率提升達到瓶頸的情況下，多處理器系統成為提高系統性能的一種有效方式。
近年來，多處理器系統的應用已經越來越廣泛，但大部分的多處理器系統都是針對特定的應用對象進行設計，這類系統耦合度高，任務分解充分，執行效率高。同時，這類系統開發難度較大，針對性強，不具有通用性，且當系統中的某個處理器出現問題時，整個系統將面臨崩潰。為了簡化系統設計，提升多處理器系統的穩定性，本文提出了一種基于消息機制構建的多處理器系統。該系統采用主從結構，主處理器運行管理系統，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，并在硬件結構與軟件設計上保持一致。這樣不僅簡化了系統的設計，更使得系統具有一定的容錯性與穩定性。實驗結果表明，本設計達到了預期效果。

1 多處理器系統體系結構
本文所設計的多處理器系統體系結構框圖如圖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進行數據的快速移動等。從處理器則根據主控制器分配的任務執行相應的處理。系統上還集成了多種系統外設，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，可根據需要配置為快速、標準、經濟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，組成乒乓結構，用于存儲原始數據或結果數據，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成主從結構。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的所有外設及所有的從處理器模塊都是通過Avalon總線相互連接。該總線是一種協議較為簡單的片內總線，處理器可通過該總線與外界進行數據交換。

2 通信機制的設計
在本文所設計的系統中，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、處理結果的反饋等。對于數據的傳遞，如果數據量比較小，可以把數據附在消息中進行傳遞；如果數據量比較大，則用DMA進行存儲器到存儲器之間的快速移動。
2. 1 消息結構的設計
消息是該系統的通信基礎，也是系統運行的重要環節，因此定義一種結構通用又易于識別的消息結構顯得十分重要。在該系統中，采用的是可變長度的消息結構：{類型；長度；子類型；參數1；參數2；…；參數N}。
其中長度指的是其后的數據個數，不包括類型及自身。這樣處理有利于消息的傳遞與讀取。在消息結構中，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。如根據消息中的類型與子類型字段，可快速轉到相應的處理函數進行處理，根據長度字段，可準確地判斷消息中參數的個數；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寫入消息數據的過程。由于系統采用的是主從結構，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。