基于xilkernel的嵌入式应用程序设计方法

　　集成在virtex-iipro器件中的powerpc405，是一个32位risc硬核，它支持coreconnect总线的标准外设集合。使用coreconnect总线，可以方便地控制多个外设。在edk集成开发环境下，对于多个外设，每个外设都有对应的任务。powerpc405默认的嵌入式内核是standalone，在其上开发的多个任务是宏观串行执行的，只有利用参数传递或全局参变量来建立各任务间的关系。在很多情况下，系统需要多个任务系统宏观并行执行，使用standalone显然是不合适的。而通过把嵌入的standalone内核改变为edk自带的xilkernel内核，适当地改变软件平台设置的内容，就可以实现多个任务的并行执行。xilkernel也支持多任务间通讯和中断。根据各种通讯方式，也可以建立各个任务之间的联系；通过中断，处理器可以及时响应外设产生的事件。

　　硬件系统结构

　　如图1所示，powerpc405使用fpga外部的存储单元，使用coreconnect总线和外围接口。coreconnect总线的标准外设集合可以重复使用，使系统整合变的更加容易。

图1powerpc405硬件系统结构

　　coreconnect总线结构

　　plb总线接口：用于powerpc405内核与高性能设备的连接。plb接口包括isplb接口和dsplb接口两种。其中，isplb接口用于外设与powerpc405指令缓冲的连接，dsplb接口用于外设与powerpc405数据缓冲的连接。
opb总线接口：片上外设总线，内核通过opb来访问低速和低性能的系统资源。它不是直接连接到处理器内核。处理器内核借助于“plbtoopb”桥，通过opb访问从外设；opb总线控制器的外设可以借助“opbtoplb”桥，通过plb访问存储器。

　　硬件平台构件

　　在edk集成开发环境中，由用户向导生成mhs文件，用户也可以根据mhs文件的语法添加自定义的外设。mhs文件用于描述硬件体系结构，其主要包括平台的处理器类型、总线结构、外围接口、中断处理和地址空间。
edk工具platgen使用mhs文件作为输入来创建硬件平台，它创建不同形式的网表文件(ngc，edif)，下游工具的支持文件和顶级hdl包装以允许用户添加其他的组件到硬件平台。

　　软件系统结构

　　在edk集成开发环境中，mss文件用于描述软件体系结构，其主要定义了平台的内核、软件库、驱动程序和文件系统的参数。

　　edk工具libgen使用mss文件作为输入，定制驱动、库、文件系统和中断处理程序。

　　xilkernel模块结构

　　xilkernel模块结构如图2所示，xilkernel提供与内核的posix接口。但并不是每一个通过posix定义的概念和接口都是可用的。取而代之的是一个精细选择的子集，几乎覆盖了所有有用的接口和概念。其支持posix线程、posix无名信号量、xsi消息队列、posix互斥锁、中断处理等。

　　xilkernel的软件平台配置

　　xilkernel已经被设计为可以和edk软件和硬件流紧密共同工作，完全被整合在软件平台配置和自动的库、板级支持包产生机制之中。在软件配置平台，可以对xilkernel支持的功能进行配置，下面介绍一些主要的配置：

a、指定系统定时器的频率值和时间片间隔。
b、指定系统可以运行的线程数量、任务调度方式(这里我们设置为优先级抢占方式，以保证重要的突发事件及时得到处理)和系统中断控制器。
c、配置系统的通讯方式，可以通过这些开关来确定系统需要的通讯方式，并可以确定各个通讯方式的参数。包括消息队列、信号量等。
d、指定系统的静态任务，也就是完全进入内核后执行的第一个任务，可以在这个任务里产生和设置系统需要的其它任务。
e、一些增强系统功能的设置等等。

　　主要任务间的通讯方式和中断

　　必需的配置

　　首先要生成连接脚本，是通过硬件需要生成的，此脚本反映了xilkernel需要的不同的段存储器。比如.vectors段被分配于一个有64kb地址边界的存储器的开始，而.boot段在0xfffffffc处。其余的代码和数据存储器可以放在任何地方。

图2xilkernel模块结构

　　其次，xilkernel是作为一个库来架构的。这意味着应用程序源文件仅需要连接xilkernel，就能够访问xilkernel的功能。这些需要设置编译器的库连接选项为xilkernel，并在用户代码中包含“xmk.h”文件。应用程序提供main()入口，然后通过调用xilkernel_main()作为内核的入口点。产生库、bsp并编译程序后，xilkernel将自动作为系统启动、初始化硬件核、中断和软件处理程序的一部分。下面是一个简单的内核入口代码：

#include"xmk.h"
/*定义和声明*/
intmain()
{
/*用户完成预处理，不允许调用内核接口*/
xilkernel_main();/*开始内核*/
/*程序不会执行到这里*/
}
/*系统的静态任务*/
void*first_thread()
{
/*产生一些线程来处理用户需要*/
}

　　线程的创建

　　线程的创建及属性的简单设置可以由下面几个函数实现：
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()初始化线程的属性。thread_attr_setschedparam()来设置线程的优先级，attr是线程的属性，schedpar是包含有线程优先级的数据结构。pthread_create()创建一个线程，thread表明线程id，attr指出线程属性，start_func函数指针是线程创建成功后开始执行的函数，param是这个函数的一个唯一的参数。

　　在静态任务中调用这些函数来产生一些有优先级的任务。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);
......
}

　　这样，系统会发起important_task和second_important_task两个任务，important_task的优先级比second_important_task高，会优先运行。除非important_task任务阻塞或退出，second_important_task才可能得到运行。

　　posix无名信号量

　　信号量提供高速的任务间同步和互斥机制。对于互斥，信号量可以上锁共享资源，使得该共享资源在同一时刻只有一个线程所拥有。关于此信号量的一些常用函数如下：

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

　　sem_init()创建一个信号量，并初始化信号量的值为value；sem_wait()调用将阻塞进程，直到信号量的值大于0，此函数返回时信号量的值减1；sem_post()是将信号量的值加1，并发出信号唤醒等待的进程。

　　信号量用于同步，一般要初始化为0，等待要同步的任务阻塞在sem_wait()调用上。任务调用sem_post来解锁该信号量，来达到同步。下面一个例子是用信号量实现同步操作的：

staticsem_tprotect;
void*first_thread(){......
sem_init(&protect,1,0);
......
}
void*thread_func1(){......
while(1){
sem_wait(&protect);
......
}
}
void*thread_func2(){......
while(1){......
if(某种条件成立)sem_post(&protect);
}
}

　　当信号量用于互斥时，一般要初始化为一个大于0的值，就可以让资源可用。如果信号量的初始值为1，第一个上锁该信号量的线程会立即执行，后继的线程将会阻塞，直到下次信号量解锁才会执行。

　　xsi消息队列

　　消息队列允许长度可变、数目可变的消息排队。任何任务或中断服务程序可以发送消息到消息队列。任何任务可从消息队列接收消息。关于此消息队列的一些常用函数如下：

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

　　msgget()来创建一个消息队列，key是消息队列的标识符，msgflag目前有两个选项，ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函数往队列发送一条消息，msgp是消息缓冲指向的指针，msgsz表示消息的字节数。msgrcv()函数作用是从消息队列中读取消息，把接收到的消息拷贝到msgp指针指向的缓冲区，nbytes表示缓冲支持的消息字节数。发送和接收消息中的msqid是消息队列描述符，用来标识相关的消息队列。下面是消息队列单向通信的简单代码：

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);
}
}

　　在例子开始，建立消息的数据结构。在producer()中操作消息的各项数据，通过msgsnd()发送此消息。在consumer()中，如果消息队列里没有消息，则msgsnd()阻塞此线程，直到消息队列非空时，msgsnd()才把消息复制到msg_p指向的数据结构中，此时此线程开始执行，并可以对接收到的消息进行处理。

　　中断

　　xilkernel已经被设计为可以和多个中断设备共同工作，用户用opb_intcip核作为中断控制器来处理硬件中断。xilkernel仅支持一个中断控制器来连接ppc405的外部中断引脚，而且不支持中断控制器连接临界的中断。对于中断程序设计，xilkernel继承了standalone的中断处理方法。

　　在xilkernel_main()中已经完成了初始化powerpc405的中断表，并能使了中断控制器连接在处理器上的非临界的中断。下面是摘抄xilkernel_main()内部执行相关代码：

　　xexc_init();/*初始化powerpc405的中断表*/
xexc_menableexceptions(xexc_non_critical);/*能使非临界中断*/

　　下面是开发应用程序要做的一些工作。首先，使中断控制器开始接收中断；其次，把必需的非临界中断添加到中断控制器上；再就是注册此非临界中断；最后能使此中断。下面是一个串口中断接收的简单代码：

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){/*中断处理程序*/while(!xuartlite_misreceiveempty(xpar_myuart_baseaddr)){
ch=xuartlite_recvbyte(xpar_myuart_baseaddr);
......
}
}

　　一个中断事件和中断处理程序相连接。而中断处理程序应该尽量短，如果中断处理程序不能完全处理此事件，可以由信号量同步发起一个任务来处理本事件。

　　结语

　　xilinx公司的vritex-iipro实现了“微处理器+可编程逻辑”的可配置设计平台，其出众的性能受到高端应用的青睐。在此平台上利用xilkernel嵌入式操作系统，为嵌入式应用开发提供了极大的系统结构灵性。本文仅介绍了几种常用的基于xilkernel的嵌入式应用程序设计方法，读者还可以利用互斥、软件定时器等实现其它的功能。读者也可以根据嵌入式开发的经验和xilkernel的强大功能，构建复杂的fpga嵌入式系统。