《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于VPX6-460的多處理器通信設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第11期
吳 靜,,王 洪,,汪學(xué)剛
電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,,四川 成都611731
摘要: 介紹了一種以雙核PowerPC處理器為核心并采用VPX總線標(biāo)準(zhǔn)的信號處理卡VPX6-460,。采用了千兆以太網(wǎng)、串行RapidIO以及PCIe等高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),,滿足了現(xiàn)代雷達(dá),、圖像等信號處理系統(tǒng)對帶寬和數(shù)據(jù)處理能力的要求。結(jié)合VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的內(nèi)部進(jìn)程通信函數(shù)庫,,在Workbench集成開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)了多處理器間的數(shù)據(jù)通信,。
中圖分類號: TP316
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)11-0027-03
Design of multiprocessor communication based on VPX6-460
Wu Jing,Wang Hong,,Wang Xuegang
School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731,China
Abstract: Signal processing card VPX6-460 with dual-core PowerPC and using the VPX bus standard is adopted. It integrates with high-speed transmission technologies, such as Gigabit Ethernet, serial RapidIO and PCIe, to satisfy the requirements of bandwidth and data processing performances for radar and image signal processing. Combined with the inter processor communication function library of VxWorks, we can achieve the data communication between multiple processors on the Workbench integrated development platform.
Key words : signal processing card VPX6-460,;PowerPC processor,;VxWorks operating system;communication of multiprocessor

    傳統(tǒng)的并行總線架構(gòu)多采用VME標(biāo)準(zhǔn),,但共享總線會造成頻繁等待和沖突,,大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率,不適合大規(guī)模并行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),。隨著現(xiàn)代雷達(dá),、圖像等信號處理應(yīng)用對信號帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率要求的不斷提升,基于VPX串行總線標(biāo)準(zhǔn)的通用信號處理器占有較大的優(yōu)勢[1-3],。本文首先介紹了基于VPX總線架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),,著重介紹了信號處理卡VPX6-460的硬件組成,并采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多處理器間的高速數(shù)據(jù)通信,。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    VPX定制機(jī)箱采用新型的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)VITA46,,相對于VME總線架構(gòu)而言,具有更大的數(shù)據(jù)吞吐能力和交換能力,、更好的散熱性能和更高功率的插槽,,充分滿足了信號處理系統(tǒng)對帶寬和運(yùn)算處理能力的要求[4-5]。圖1所示為系統(tǒng)的基本框圖,。整個(gè)系統(tǒng)主要由多通道信號采集卡,、多通道數(shù)據(jù)回收卡、信號處理卡以及高性能服務(wù)器等組成,。系統(tǒng)以千兆以太網(wǎng)作為平臺間的網(wǎng)絡(luò)互連標(biāo)準(zhǔn),,并使用串行RapidIO和PCIe作為底板總線交換網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議。VPX載板和模塊化的信號采集子卡組成了系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集部分,,VPX載板擁有的多個(gè)高速串行接口可以將采集到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流,,傳送給后端的信號處理板進(jìn)行復(fù)雜的后端處理[6]。

2 硬件設(shè)計(jì)
    在整個(gè)VPX機(jī)箱中,,嵌入式信號處理卡VPX6-460是一款多CPU并行處理器信號處理卡,,其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)如圖2所示,。板上載有4塊雙核PowerPC 8641D處理器,共有8個(gè)e600處理器核,,每個(gè)處理器配有512 MB的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器DDR2SDRAM,,還配有512 MB具有寫保護(hù)的Flash和NVRAM。板上的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)用來配置每個(gè)處理器的狀態(tài),;4個(gè)處理器間通過串行RapidIO交換器實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)互連,,每個(gè)處理器的數(shù)據(jù)輸入/輸出速率都可達(dá)到雙向12 Gb/s,同時(shí)有4路串行RapidIO連接到背板,,可連接4個(gè)處理板,,支持16個(gè)處理器間的全速數(shù)據(jù)交換;板上的XMC/PMC插座支持8路PCIe連接,,可用于擴(kuò)張外部的輸入/輸出接口,。

3 軟件設(shè)計(jì)
    信號處理器的硬件部分構(gòu)成了系統(tǒng)框架和硬件平臺,而軟件部分則用于實(shí)現(xiàn)各種功能,,是整個(gè)系統(tǒng)的“靈魂”,。VPX6-460是典型的“通用處理器平臺+嵌入式操作系統(tǒng)”結(jié)構(gòu),選用的操作系統(tǒng)是美國Wind River公司最新研發(fā)的VxWorks6.8,,主機(jī)上的開發(fā)環(huán)境是基于Eclipse軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的Workbench3.1,,通過串口和網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)主機(jī)與目標(biāo)機(jī)間的交叉編譯和交叉調(diào)試。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了專門的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)接口來連接中斷向量和中斷服務(wù)程序,,內(nèi)核可以自動(dòng)提供有關(guān)中斷處理中所需要的堆棧切換以及寄存器保護(hù),、回復(fù)等功能。VxWorks6.8 提供的內(nèi)部處理器通信IPC(Inter Pro-cessor Communication)函數(shù)庫Rel2.4.7支持多處理器間的通信,,適用于底層串行RapidIO和以太網(wǎng)的鏈接,,提供與連接無關(guān)的編程接口,從而簡化了多處理器通信的程序設(shè)計(jì),,提高了程序的可移植性,。
    VPX6-460的各個(gè)處理器之間主要采用直接內(nèi)存訪問DMA(Direct Memory Access)通信機(jī)制,可以同時(shí)傳輸批量數(shù)據(jù),。當(dāng)DMA控制器接收到來自輸入/輸出口的DMA請求時(shí),,CPU就會轉(zhuǎn)讓總線控制權(quán)給DMA控制器,在完成數(shù)據(jù)傳輸后,,DMA控制器會歸還總線控制權(quán),。整個(gè)傳輸過程由DMA控制器負(fù)責(zé)而不需要CPU的參與,有效地減少了CPU的占用時(shí)間,,大大提高了系統(tǒng)性能[7-8],。圖3所示為VPX6-460上兩個(gè)處理器間通信的基本原理框圖。

    在本地處理器上創(chuàng)建由指針A0_sender指向的緩存區(qū)buffer_ab,,相應(yīng)的發(fā)送端口為AB_ A0_BlkPort,,由函數(shù)msgBlkWrite( )將成片數(shù)據(jù)寫入到目標(biāo)處理器上,,由目標(biāo)處理器的新建緩存區(qū)存儲接收數(shù)據(jù),接收端口為AB_ B0_BlkPort,,緩存區(qū)名也為buffer_ab,,使用相同緩存名可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。由于DMA寫操作是異步實(shí)現(xiàn)的,,即無論DMA請求是否已被執(zhí)行,,msgBlkWrite( )都會立即返回,因此本地處理器需要調(diào)用函數(shù)callBack( )返回寫操作的完成時(shí)間和狀態(tài)等信息,。同時(shí),,在完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí),DMA控制器要釋放總線控制權(quán),,通過發(fā)送端口的寫中斷服務(wù)程序告知本地處理器已完成數(shù)據(jù)傳輸,,接收端口以讀中斷服務(wù)程序告知目標(biāo)處理器已完成數(shù)據(jù)接收。部分程序如下:
msgBlkPort  AB_A0_BlkPort;
msgBlkStatsInfo  AB_A0_BlkInfo;
AB_A0_BlkPort=msgBlkOpen(BUFAB_NAME,8,0);  
if (AB_A0_BlkPort==0)
{
  printf(“start_test: msgBlkOpen() failed”);
  return  -1;
}  /*打開發(fā)送緩存區(qū),,返回輸出端口地址,能允許的最大
DMA請求數(shù)為8 */
status=msgBlkIoctl(AB_A0_Port,MSGIOCTL_FLOELVLV_
PRIORITY,MSGIOCTL_FLOWLVLV_HIGH);
if (status!=0)
{
printf(“Error invalid priority flow setting\n”);
}  /*設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級*/
while(1)
{
msgBlkIoctl(AB_A0_BlkPort,MSGIOCTL_GET_STATS,(long)
&AB_A0_blk Info);
if (AB_A0_BlkInfo.isconnected!=0)
{
printf (“start_test:\”%s” connected to proc 0 x%x, length %
ld\n”, AB_A0_BlkInfo.name, AB_A0_ BlkInfo.peerProc,
AB_A0_BlkInfo.size);
break;
}
else
 taskDelay(1);
}  /*設(shè)置端口信息,,判斷發(fā)送端口是否已正確連接到目標(biāo)
處理器*/
AB_msgBlkWriteInProgress=1;
status=msgBlkWrite(AB_A0_BlkPort,A0_sender,Buffer_size,0,
MSGBLK_OPTION_SIGNAL,0,A0_msgBlkWriteDoneISR,0);
/*寫函數(shù)包括了本地處理器需要返回調(diào)用的參數(shù)信息,,
同時(shí)含有寫中斷函數(shù)信息*/
if (status)
{
printf(“start_test: msgBlkWrite() returned 0x%x \n”, status);
return -1;
}  /*將本地緩存數(shù)據(jù)正確傳送到目標(biāo)處理器上,實(shí)現(xiàn)了處
理器間的數(shù)據(jù)傳輸*/
while(AB_msgBlkWriteInProgress)
taskDelay(1);
printf(“Data transferred ”);
msgBlkClose(AB_A0_BlkPort);    
return 1;
static void A0_msgBlkWriteDoneISR (msgBlkP ort port, void
*pParam, long status)
{  
 AB_msgBlkWriteInProgress=0;
}  /*寫中斷服務(wù)子程序,,告知本地處理器已完成數(shù)據(jù)傳輸*/
int B0_receive(void)
{
int i,j;
int status;
msgBlkPort AB_B0_BlkPort;
msgBlkPort BC_B0_BlkPort;
msgBlkInfo BC_B0_BlkInfo;
if (NULL==B0_receiver)
{
B0_receiver=cacheDmaMalloc(BUFFER_SIZE);
if (!B0_receiver)
{
printf(“B0_receive:cacheDmaMalloc(0x%x)\n failed”,
BUFFER_SIZE);
return -1;
}  /*在目標(biāo)處理器上建立接收緩存區(qū)*/
AB_B0_BlkPort=msgBlkCreate(BUFAB_NAME,B0_receiver,
BUFFER_SIZE,MSGBLK_OPTION_SIGNAL);
/*接收緩存區(qū)與發(fā)送緩存區(qū)有相同的緩存區(qū)名“buffer_ab”,,
以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享*/
if (AB_B0_BlkPort==0)
{
printf (“B0_receive:msgBlkCreate() failed\n”);
return -1;
}
AB_msgBlkReadInProgress=1;
msgBlkSigConnect(AB_B0_BlkPort,B0_msgBlkReadDoneISR,
(void*)0x1234);
msgBlkSigEnable(AB_B0_BlkPort);    
/*確認(rèn)接收端口已連接到目標(biāo)處理器,
并由讀中斷服務(wù)子程序告知已正確完成接收*/

 


    本文在介紹了VPX6-460硬件組成的基礎(chǔ)上,,結(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)的特點(diǎn)以及系統(tǒng)所支持的通信機(jī)制,,詳細(xì)分析了不同處理器間的數(shù)據(jù)傳輸方式,并給出了具體的軟件實(shí)現(xiàn)方法,。該程序的高度可移植性使其具有很高的應(yīng)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
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