基于SOPC的多核处理器互连技术的研究

论文摘要

随着对嵌入式应用要求的不断提高,单核处理器在复杂功能实现上出现了不足与局限性,多核技术的发展也越来越受到人们的关注。SOPC通常是指在单个芯片上通过编程实现的数字计算系统,硬件上在单一芯片内包含一个或多个微处理器、基于总线的体系结构、针对具体应用的外设、输入输出接口等资源；软件上包含嵌入式实时操作系统和应用软件,用一个芯片构成整个系统。应用SOPC设计的系统具有体积小、功耗低、可靠性好等优点。基于FPGA的SOPC的设计性能,无论从集成度、速度、功耗和价格等方面已完全能够和ASIC相媲美了,而其一次性投资低和设计周期短却是ASIC无法比拟的。而如今对于嵌入式系统的架构也开始转向多处理器的协同工作,对于多处理器的架构,多处理器如何互连,如何实现多处理器的SOPC是人们关注的问题。本文在Xilinx ISE Design Suite 13.1的EDK开发平台下,提出了一种将32位的微处理器软核MicroBlaze做为处理器模块,实现了一个基于FPGA的多核处理器的SOPC实现方法。主要工作如下：1、设计了一种新的多核处理器互连的解决方案,分别采用PLB总线和FSL总线将三个MicroBlaze软核互连起来,设计出一个基于SOPC的嵌入式多核处理器系统。2、在研究完MicroBlaze软核的基础上,研究PLB总线、LMB总线和FSL总线的用法后,在Xilinx平台工作室XPS中利用BSB向导搭建了片上多核处理器系统,并对各个硬件元素做了恰当的配置。3、在Xilinx SDK平台下,开发设计了软件应用程序,采用共享内存实现核间的数据共享,利用EDK自带的IP核XPS_Mailbox和XPS_Mutex实现了处理器核间的通信与同步,利用FSL总线实现了处理器核间的点对点的快速通信。4、对系统的架构方法进行了说明,并对系统进行了调试,结果表明该系统的功能和性能达到设计要求,该处理器互连方案可行实用,核间通信速度得到提高,且具有灵活性好、吞吐量高的优点,提升了系统的整体性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 片上多核体系结构概述
• 1.2.2 片上多核处理器的发展趋势
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第二章 片上多核处理器介绍
• 2.1 SOPC技术
• 2.1.1 SOPC的方案
• 2.1.2 SOPC中IP核的使用
• 2.2 多核处理器的互连方式
• 2.3 Xilinx MicroBlaze软处理器核
• 2.3.1 MicroBlaze处理器简述
• 2.3.2 MicroBlaze的体系结构和总线接口
• 2.3.3 基于MicroBlaze的开发
• 2.4 本章小结
• 第三章 片上多核处理器互连的设计与实现
• 3.1 多核处理器系统的开发平台
• 3.1.1 Spartan-3E开发板
• 3.1.2 开发工具EDK及其文件管理架构
• 3.1.3 基于EDK的开发流程
• 3.2 多核处理器系统的总体设计
• 3.2.1 系统总线
• 3.2.2 多核处理器互连方案的设计
• 3.2.3 多核处理器系统的总体架构设计
• 3.3 多核处理器系统硬件平台的设计与实现
• 3.3.1 硬件平台的搭建
• 3.3.2 硬件平台的用户界面及其目录结构
• 3.4 多核处理器系统软件平台的设计与实现
• 3.4.1 软件平台的开发与设计
• 3.4.2 核间通信与同步
• 3.5 本章小结
• 第四章 多核处理器系统的调试与分析
• 4.1 系统的调试工具
• 4.1.1 调试接口和跟踪接口
• 4.1.2 GNU调试工具
• 4.1.3 在线调试工具XMD
• 4.2 系统的调试
• 4.2.1 系统的调试步骤
• 4.2.2 系统的调试结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者与导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书