基于VPX6-460的多處理器通信設(shè)計*

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）

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，著重介紹了信號處理卡VPX6-460的硬件組成，并采用VxWorks實(shí)時操作系統(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

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]。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

在整個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e600處理器核，每個處理器配有512 MB的同步動態(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)用來配置每個處理器的狀態(tài)；4個處理器間通過串行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，同時有4路串行RapidIO連接到背板，可連接4個處理板，支持16個處理器間的全速數(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

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 Processor 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，提高了程序的可移植性。

VPX6-460的各個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，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的占用時間，大大提高了系統(tǒng)性能[7-8]。圖3所示為VPX6-460上兩個處理器間通信的基本原理框圖。

圖2 多CPU信號處理卡VPX6-460內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

圖3 多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間和狀態(tài)等信息。同時，在完成數(shù)據(jù)傳輸時，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：

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)用價值。

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