集成在virtex-iipro器件中的powerpc405，是一個(gè)32位risc硬核，它支持coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合,。使用coreconnect總線，可以方便地控制多個(gè)外設(shè),。在edk集成開發(fā)環(huán)境下,，對(duì)于多個(gè)外設(shè)，每個(gè)外設(shè)都有對(duì)應(yīng)的任務(wù),。powerpc405默認(rèn)的嵌入式內(nèi)核是standalone,，在其上開發(fā)的多個(gè)任務(wù)是宏觀串行執(zhí)行的,，只有利用參數(shù)傳遞或全局參變量來建立各任務(wù)間的關(guān)系。在很多情況下,，系統(tǒng)需要多個(gè)任務(wù)系統(tǒng)宏觀并行執(zhí)行,，使用standalone顯然是不合適的。而通過把嵌入的standalone內(nèi)核改變?yōu)閑dk自帶的xilkernel內(nèi)核,，適當(dāng)?shù)馗淖冘浖脚_(tái)設(shè)置的內(nèi)容,，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行。xilkernel也支持多任務(wù)間通訊和中斷,。根據(jù)各種通訊方式,，也可以建立各個(gè)任務(wù)之間的聯(lián)系；通過中斷,，處理器可以及時(shí)響應(yīng)外設(shè)產(chǎn)生的事件,。

　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，powerpc405使用fpga外部的存儲(chǔ)單元,，使用coreconnect總線和外圍接口,。coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合可以重復(fù)使用，使系統(tǒng)整合變的更加容易,。

圖1powerpc405硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　coreconnect總線結(jié)構(gòu)

　　plb總線接口：用于powerpc405內(nèi)核與高性能設(shè)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(shè)與powerpc405指令緩沖的連接,，dsplb接口用于外設(shè)與powerpc405數(shù)據(jù)緩沖的連接。
opb總線接口：片上外設(shè)總線,，內(nèi)核通過opb來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源,。它不是直接連接到處理器內(nèi)核。處理器內(nèi)核借助于“plbtoopb”橋,，通過opb訪問從外設(shè),；opb總線控制器的外設(shè)可以借助“opbtoplb”橋，通過plb訪問存儲(chǔ)器,。

　　硬件平臺(tái)構(gòu)件

　　在edk集成開發(fā)環(huán)境中,，由用戶向?qū)蒻hs文件，用戶也可以根據(jù)mhs文件的語法添加自定義的外設(shè),。mhs文件用于描述硬件體系結(jié)構(gòu),，其主要包括平臺(tái)的處理器類型、總線結(jié)構(gòu),、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(chuàng)建硬件平臺(tái)，它創(chuàng)建不同形式的網(wǎng)表文件(ngc,，edif),，下游工具的支持文件和頂級(jí)hdl包裝以允許用戶添加其他的組件到硬件平臺(tái)。

　　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在edk集成開發(fā)環(huán)境中,，mss文件用于描述軟件體系結(jié)構(gòu),，其主要定義了平臺(tái)的內(nèi)核、軟件庫,、驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)的參數(shù),。

　　edk工具libgen使用mss文件作為輸入，定制驅(qū)動(dòng),、庫,、文件系統(tǒng)和中斷處理程序。

　　xilkernel模塊結(jié)構(gòu)

　　xilkernel模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示,，xilkernel提供與內(nèi)核的posix接口,。但并不是每一個(gè)通過posix定義的概念和接口都是可用的。取而代之的是一個(gè)精細(xì)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(hào)量,、xsi消息隊(duì)列,、posix互斥鎖、中斷處理等,。

　　xilkernel的軟件平臺(tái)配置

　　xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)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(tái)配置和自動(dòng)的庫、板級(jí)支持包產(chǎn)生機(jī)制之中,。在軟件配置平臺(tái),，可以對(duì)xilkernel支持的功能進(jìn)行配置，下面介紹一些主要的配置：

a,、指定系統(tǒng)定時(shí)器的頻率值和時(shí)間片間隔,。
b、指定系統(tǒng)可以運(yùn)行的線程數(shù)量,、任務(wù)調(diào)度方式(這里我們?cè)O(shè)置為優(yōu)先級(jí)搶占方式,，以保證重要的突發(fā)事件及時(shí)得到處理)和系統(tǒng)中斷控制器。
c,、配置系統(tǒng)的通訊方式,，可以通過這些開關(guān)來確定系統(tǒng)需要的通訊方式,，并可以確定各個(gè)通訊方式的參數(shù),。包括消息隊(duì)列、信號(hào)量等。
d,、指定系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù),，也就是完全進(jìn)入內(nèi)核后執(zhí)行的第一個(gè)任務(wù)，可以在這個(gè)任務(wù)里產(chǎn)生和設(shè)置系統(tǒng)需要的其它任務(wù),。
e,、一些增強(qiáng)系統(tǒng)功能的設(shè)置等等。

　　主要任務(wù)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(chǔ)器。比如.vectors段被分配于一個(gè)有64kb地址邊界的存儲(chǔ)器的開始,，而.boot段在0xfffffffc處,。其余的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以放在任何地方。

圖2xilkernel模塊結(jié)構(gòu)

 　　其次,，xilkernel是作為一個(gè)庫來架構(gòu)的,。這意味著應(yīng)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(shè)置編譯器的庫連接選項(xiàng)為xilkernel,，并在用戶代碼中包含“xmk.h”文件。應(yīng)用程序提供main()入口,，然后通過調(diào)用xilkernel_main()作為內(nèi)核的入口點(diǎn),。產(chǎn)生庫、bsp并編譯程序后,，xilkernel將自動(dòng)作為系統(tǒng)啟動(dòng),、初始化硬件核、中斷和軟件處理程序的一部分,。下面是一個(gè)簡單的內(nèi)核入口代碼：

#include"xmk.h"
/*定義和聲明*/
intmain()
{
/*用戶完成預(yù)處理,，不允許調(diào)用內(nèi)核接口*/
xilkernel_main();/*開始內(nèi)核*/
/*程序不會(huì)執(zhí)行到這里*/
}
/*系統(tǒng)的靜態(tài)任務(wù)*/
void*first_thread()
{
/*產(chǎn)生一些線程來處理用戶需要*/
}

　　線程的創(chuàng)建

　　線程的創(chuàng)建及屬性的簡單設(shè)置可以由下面幾個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：
intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr)

　　intpthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t*attr,structsched_param*schedpar)
intpthread_create(pthread_tthread,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(shè)置線程的優(yōu)先級(jí),，attr是線程的屬性,，schedpar是包含有線程優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。pthread_create()創(chuàng)建一個(gè)線程,，thread表明線程id,，attr指出線程屬性，start_func函數(shù)指針是線程創(chuàng)建成功后開始執(zhí)行的函數(shù),，param是這個(gè)函數(shù)的一個(gè)唯一的參數(shù),。

　　在靜態(tài)任務(wù)中調(diào)用這些函數(shù)來產(chǎn)生一些有優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如下例：

staticpthread_ttid0,tid1;
staticpthread_attr_tattr;
staticstructsched_paramprio;
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(tǒng)會(huì)發(fā)起important_task和second_important_task兩個(gè)任務(wù),，important_task的優(yōu)先級(jí)比second_important_task高,，會(huì)優(yōu)先運(yùn)行。除非important_task任務(wù)阻塞或退出,，second_important_task才可能得到運(yùn)行,。

　　posix無名信號(hào)量

　　信號(hào)量提供高速的任務(wù)間同步和互斥機(jī)制。對(duì)于互斥,，信號(hào)量可以上鎖共享資源,，使得該共享資源在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程所擁有。關(guān)于此信號(hào)量的一些常用函數(shù)如下：

　　intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);
intsem_wait(sem_t*sem);
intsem_post(sem_t*sem);

　　sem_init()創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量,，并初始化信號(hào)量的值為value,；sem_wait()調(diào)用將阻塞進(jìn)程，直到信號(hào)量的值大于0,，此函數(shù)返回時(shí)信號(hào)量的值減1,；sem_post()是將信號(hào)量的值加1，并發(fā)出信號(hào)喚醒等待的進(jìn)程,。

　　信號(hào)量用于同步,，一般要初始化為0，等待要同步的任務(wù)阻塞在sem_wait()調(diào)用上,。任務(wù)調(diào)用sem_post來解鎖該信號(hào)量,，來達(dá)到同步。下面一個(gè)例子是用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步操作的：

staticsem_tprotect;
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(dāng)信號(hào)量用于互斥時(shí),，一般要初始化為一個(gè)大于0的值,，就可以讓資源可用。如果信號(hào)量的初始值為1,，第一個(gè)上鎖該信號(hào)量的線程會(huì)立即執(zhí)行,，后繼的線程將會(huì)阻塞，直到下次信號(hào)量解鎖才會(huì)執(zhí)行,。

 　　xsi消息隊(duì)列

　　消息隊(duì)列允許長度可變,、數(shù)目可變的消息排隊(duì)。任何任務(wù)或中斷服務(wù)程序可以發(fā)送消息到消息隊(duì)列,。任何任務(wù)可從消息隊(duì)列接收消息,。關(guān)于此消息隊(duì)列的一些常用函數(shù)如下：

　　intmsgget(key_tkey,intmsgflg)
intmsgsnd(intmsqid,constvoid*msgp,size_tmsgsz,intmsgflg)
ssize_tmsgrcv(intmsqid,void*msgp,size_tnbytes,longmsgtyp,intmsgflg)

　　msgget()來創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列，key是消息隊(duì)列的標(biāo)識(shí)符,，msgflag目前有兩個(gè)選項(xiàng),，ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函數(shù)往隊(duì)列發(fā)送一條消息,，msgp是消息緩沖指向的指針,，msgsz表示消息的字節(jié)數(shù)。msgrcv()函數(shù)作用是從消息隊(duì)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(qū),，nbytes表示緩沖支持的消息字節(jié)數(shù),。發(fā)送和接收消息中的msqid是消息隊(duì)列描述符，用來標(biāo)識(shí)相關(guān)的消息隊(duì)列,。下面是消息隊(duì)列單向通信的簡單代碼：

struct_msg{
shorttype;
charfirst;
charlast;
};
staticstruct_msgmsg_p;
staticstruct_msgmsg_c;
staticintmsgid;
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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。在producer()中操作消息的各項(xiàng)數(shù)據(jù),，通過msgsnd()發(fā)送此消息。在consumer()中,，如果消息隊(duì)列里沒有消息,，則msgsnd()阻塞此線程，直到消息隊(duì)列非空時(shí),，msgsnd()才把消息復(fù)制到msg_p指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,，此時(shí)此線程開始執(zhí)行，并可以對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理,。

　　中斷

　　xilkernel已經(jīng)被設(shè)計(jì)為可以和多個(gè)中斷設(shè)備共同工作,，用戶用opb_intcip核作為中斷控制器來處理硬件中斷。xilkernel僅支持一個(gè)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(duì)于中斷程序設(shè)計(jì)，xilkernel繼承了standalone的中斷處理方法,。

　　在xilkernel_main()中已經(jīng)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(nèi)部執(zhí)行相關(guān)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(fā)應(yīng)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(cè)此非臨界中斷；最后能使此中斷,。下面是一個(gè)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);
......
}
voiduart_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(gè)中斷事件和中斷處理程序相連接,。而中斷處理程序應(yīng)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(hào)量同步發(fā)起一個(gè)任務(wù)來處理本事件,。

　　結(jié)語

　　xilinx公司的vritex-iipro實(shí)現(xiàn)了“微處理器+可編程邏輯”的可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)，其出眾的性能受到高端應(yīng)用的青睞,。在此平臺(tái)上利用xilkernel嵌入式操作系統(tǒng),，為嵌入式應(yīng)用開發(fā)提供了極大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈性。本文僅介紹了幾種常用的基于xilkernel的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法,，讀者還可以利用互斥,、軟件定時(shí)器等實(shí)現(xiàn)其它的功能,。讀者也可以根據(jù)嵌入式開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和xilkernel的強(qiáng)大功能，構(gòu)建復(fù)雜的fpga嵌入式系統(tǒng),。