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。
2．2．1 控制器到处理器方向
    控制器到处理器方向的连接属于一对多的模式，每条通路各自独立，因此该方向上的传递比较简单，由控制器直接向目标FIFO写入数据即可。该方向的传递流程图如图2(a)所示。

2．2．2 处理器到控制器方向
    处理器到控制器方向的连接属于多对一的模式，当处理器同时有消息要传递给控制器时会引起冲突。为解决该冲突，系统引入了互斥核。因此该方向上的消息传递时需要先锁定互斥核，才能向控制器的FIFO写入消息数据。该方向的传递流程图如图2(b)所示。
2．3 消息的读取
    消息的读取过程为处理器从消息存储器FIFO读出数据的过程。由于采用的是双端口FIFO，数据的写入与读取可同时进行。但由于处理器可能存在中断、写入与读出速率不一致等原因，因此消息的读取采用异步读取的方式，即判断FIFO中的数据个数，先读取消息的前两个字节，获得该消息的长度，然后根据该长度等待消息传递完毕，再一次性读取剩余消息数据。
2．4 消息的处理
    消息读取完之后，首先发送确认消息给发送者，表示成功收到了消息。然后根据洧息中的类型跳转到该类型的处理函数，接着再根据消息中的子类型跳转到该子类型的处理函数。最后，当任务执行完之后发送任务结束消息。
2．5 数据移动
    当系统中有大量的数据需要移动时，为了减少系统的开销，加入DMA核。数据的移动由DMA核控制，而DMA核由控制器进行控制。因此，从处理器如果有移动数据的需要，需要用消息先通知控制器，然后由控制器控制DMA进行移动。图3为控制器利用DMA进行数据移动的流程图。

2．6 容错性设计
    当系统长时间运行时，不排除处理器出现问题的可能性，因此需要引入容错性设计，保证系统能正确运行。
    首先，主控制器中定义一个从处理器列表。从处理器初始化完成时，发送初始化完成消息，主控制器对发送消息的从处理器进行登记，并添加到列表。
    接着，主控制器中定义一个任务结构，包含任务所属的组、任务ID、任务允许最长处理时间、任务开始处理的时间等字段。运行时，主控制器根据事先设计的程序生成任务列表，然后根据从处理器列表分配任务，并记录任务处理开始时间。
    然后，主控制器反复查询任务列表，检查任务时间。当发现任务超时，则重新分配该任务，使得系统仍能正常工作，并将处理该任务的从处理器从列表中别除，发出警报。

3 实验与结果
    为了验证该系统的可行性及性能，本文采用JPEG编码器(以DCT变换为基础的有损压缩算法)作为该系统的测试程序。DCT算法的大致流程为：对于一块最小数据处理单元(MCU)，先把数据从空间域变换到频率域，从而去除数据的冗余度；量化器用加权函数来产生对人眼优化的量化DCT系数，同时熵编码器将量化DCT系数的熵最小化。
    其中前向DCT的变换公式如下：
   
    由上述公式可见，前向DCT变换是相当耗时的一部分，因为该部分需要求取余弦值，然后求积与求和，并且进行的都是浮点运算；运用快速算法可减少该部分的处理时间。在JPEG编码框图中，前向DCT处理的都是8×8大小的数据块，每个数据块之间相互独立，因此可同时进行计算。在熵编码过程中，对直流系数DC的编码采用的是差分脉冲编码调制(DPCM)方法，需要用到前一块MCU数据的DC值，所以需要等待前一块MCU的量化结果，结合本文所设计的系统，采用1：1：1的压缩比，可将JPEG编码算法按图4所示的流程进行分解处理。

    在Altera公司的芯片EP3C25F324C8上利用SOPC完成了图1所示的系统体系结构。用Quartus软件进行综合，综合结果如表1所列。利用Nios II IDE完成了JPEG编码程序。程序运行时，利用时间戳(timestamp)测得图像编码所用的时间，并用公式Sp==T1／Tp计算得到加速比Sp，其中T1是单处理器时的运行时间，Tp为有p个处理器时的运行时间。结果如表2所列。

    在FPGA中，LE的开销量Z可分为处理器用量X与系统用量Y，因此Z≈N×X+Y，结合表1的数据可计算得出，一个处理器对应的LE使用量约为3 769，占总量的15．3％。
    在表2中，PC机的处理频率是FPGA软处理器的频率的2 000／100=20倍，FPGA单处理器的处理时间是PC机的5 601 730／20 861≈268倍，可见与频率不成正比。主要原因为PC机支持浮点运算，而FPGA的软核处理器为定点运算。
    由表2可看出，每增加一个处理器，加速比可提升50％，因此增加处理器的数量可明显提升系统性能，而增加一个处理器在硬件上只需增加15．3％的开销，因而具有一定的性价比。另外，由于处理器之间是相互独立的，并在硬件结构与软件设计上保持一致，这使得当增加处理器时，只需修改一些配置参数即可，这有利于减少增加处理时的工作量和开发成本。
    系统运行于4个处理器时，运行过程中突然断开一个处理器，模拟处理器出现问题的情况，测得系统仍能正常输出，运行时间为2 551 542 μs。相比正常情况的2 108 085μs，显然处理时间有所延长，但此时系统仍能正常输出，因而证实了该系统具有一定的容错性。

结语
    针对目前多处理器系统针对性强、开发难度大、不具备容错性的不足，本文提出了一种基于消息机制的多处理器系统，实现了多处理器系统的通用性设计，简化系统的设计难度，同时具有一定的容错性与稳定性。在文中利用FPGA技术进行仿真验证。系统实验表明，增加处理器数量可明显提升系统的性能，并具有一定的性价比。在系统中的某一个处理器出现问题时，系统仍能正常输出，具有一定的容错性。