基于消息机制的片上多处理器系统的研究

摘要：描述了一种基于消息机制构建的片上多处理器系统。该系统采用主从结构，运用消息进行通信，并且从处理器之间彼此相互独立，在硬件结构与软件设计上保持一致。这样不仅简化了系统的设计，更使得系统具有一定的容错性与稳定性。最后在Quartus软件中设计并且综合，在该系统下运行JPEG编码算法，当运行于100 MHz时，测得系统在不同个数处理器时的处理性能，满足了设计要求。
关键词：多处理器；消息机制；FPGA；DMA

引言
如今，数字处理技术已得到了广泛的应用，各种复杂算法的提出与处理精度的提高，都使得需要处理的数据量变得越来越大。而提高系统处理性能主要有提高处理器的频率、采用多处理器系统2种方法。在单处理器频率提升达到瓶颈的情况下，多处理器系统成为提高系统性能的一种有效方式。
近年来，多处理器系统的应用已经越来越广泛，但大部分的多处理器系统都是针对特定的应用对象进行设计，这类系统耦合度高，任务分解充分，执行效率高。同时，这类系统开发难度较大，针对性强，不具有通用性，且当系统中的某个处理器出现问题时，整个系统将面临崩溃。为了简化系统设计，提升多处理器系统的稳定性，本文提出了一种基于消息机制构建的多处理器系统。该系统采用主从结构，主处理器运行管理系统，从处理器完成用户指定的任务。从处理器彼此之间相互独立，可相互替代，并在硬件结构与软件设计上保持一致。这样不仅简化了系统的设计，更使得系统具有一定的容错性与稳定性。实验结果表明，本设计达到了预期效果。

1 多处理器系统体系结构
本文所设计的多处理器系统体系结构框图如图1所示，它主要包括一个主控制器模块及多个从处理器模块。

主控制器主要负责消息的分配与跟踪，控制DMA进行数据的快速移动等。从处理器则根据主控制器分配的任务执行相应的处理。系统上还集成了多种系统外设，如RS232、定时器、JTAG接口、多种存储控制器等。
主控制器模块及从处理器模块中使用的处理器是Nios Ⅱ嵌入式软核处理器，选用的是快速型。该处理器是Altera公司推出的32位RSIC嵌入式处理器，可根据需要配置为快速、标准、经济3种类型，提供满足性能与成本的最佳方案。每个模块中都配备1个FIFO，用于存储消息；配备2个RAM存储器，组成乒乓结构，用于存储原始数据或结果数据，同时可用于DMA传输控制。
主控制器模块与多个从处理器模块构成主从结构。主控制器集中管理所有的从处理器模块；所有的从处理器模块相互独立，互不影响，运行时可相互替代。主控制器模块与系统的所有外设及所有的从处理器模块都是通过Avalon总线相互连接。该总线是一种协议较为简单的片内总线，处理器可通过该总线与外界进行数据交换。

2 通信机制的设计
在本文所设计的系统中，各个模块之间都采用消息进行通信，如主控制器与从处理器之间的通信、处理任务的分配、处理结果的反馈等。对于数据的传递，如果数据量比较小，可以把数据附在消息中进行传递；如果数据量比较大，则用DMA进行存储器到存储器之间的快速移动。
2. 1 消息结构的设计
消息是该系统的通信基础，也是系统运行的重要环节，因此定义一种结构通用又易于识别的消息结构显得十分重要。在该系统中，采用的是可变长度的消息结构：{类型；长度；子类型；参数1；参数2；…；参数N}。
其中长度指的是其后的数据个数，不包括类型及自身。这样处理有利于消息的传递与读取。在消息结构中，类型、长度、子类型这3个字段在消息中的位置固定，有利于消息的解析。如根据消息中的类型与子类型字段，可快速转到相应的处理函数进行处理，根据长度字段，可准确地判断消息中参数的个数；将“子类型”排在“长度”之后，则有利于消息的读取。
2．2 消息的传递
消息的传递过程就是向目标消息存储器FIFO写入消息数据的过程。由于系统采用的是主从结构，当消息在控制器与处理器之间的不同方向传递时，传递过程并不相同。