[发明专利]基于FPGA多核系统的核间通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于FPGA的多核处理技术，尤其涉及一种基于FPGA多核系统的核间通信方法。

背景技术

为了能够继续满足摩尔定律的计算加速需求，硬件界引入了多核技术。基于多核的计算机系统是目前最具活力和发展前途的一项技术研究，尤其是基于多核架构的嵌入式系统，它将在音、视频信号处理领域、图像压缩和通信领域得到广泛的应用。相对于单核处理器，多核处理器突破了单核处理器在性能方面的瓶颈，为提高处理器的性能提供了一种新的途径，通过增加处理器的个数来提升处理器的运算速度。虽然多核能利用集成度提高带来的优势以使得芯片的性能成倍增加，但同时将原来单处理器系统中的一些问题引入到了多核处理器内部。多核处理器的各CPU核心执行的程序之间有时需要进行数据共享与同步，因此其硬件结构必须支持核间通信。高效的通信机制是多核处理器高性能的重要保障。

中国专利申请200910071475.9公开了一种基于FPGA的多核星载计算机，该计算机包括基于SRAM的FPGA、n个PROM、n个SRAM、反熔丝FPGA和配置NOR型闪存。该星载计算机可以根据卫星任务，通过FPGA硬件编程实现自动切换系统功能。该系统每个处理器相互独立，分别完成不同的功能。如果其中一个处理器的计算量较大，而后续的计算需要依赖于该处理器的计算结果，则很容易出现性能瓶颈以及资源浪费。

中国专利申请200910067489.3公开了一种基于多核技术的前馈神经网络硬件实现方法，涉及一种基于特定计算模型的计算机系统，采用多个NIOS II软核处理器构建一种多核系统，实现神经网络高速、分布、并行计算的目的。该系统中各处理器之间的通信由多端口存储器实现，每个处理器都在存储器空间中对应一段固定连续地址的空间，其缺点是必须要有一个核作为主控核，负责管理存储器空间，而且由于每个处理器分配的地址是固定且连续的，灵活性较差。

中国专利申请201010189839.6公开了一种基于多核的运动模糊图像复原系统，该系统中的多核处理模块由多个DSP构建，多核处理模块从DDR SDRAM中读取视频帧并进行图像补偿，双DSP核心的高效性能能够更有效的完成图像补偿和复原的功能。该系统每个DSP负责自身的图像处理任务，将结果输出。这种结构必须依赖于一个预处理模块，将待处理的图像预先分为n等份，然后将分割好的图像存储到每个DSP对应的DDR SDRAM中。由于预处理模块将会承担全部的预处理任务，在高数据量的情况下将会成为性能瓶颈。并且，这种多核处理的实现方式并不一定适用于图像处理之外的其他领域。

发明内容

本发明提供了一种基于FPGA多核系统的核间通信方法，解决了现有多核系统由于通信逻辑缺陷导致系统效率不高的问题。

一种基于FPGA多核系统的核间通信方法，所述多核系统包括至少两个软核，所有软核挂载在FPGA的共享缓冲上，共享所有外设资源，所述核间通信包括核间的数据交互和命令交互，

当交互数据时，相邻软核之间采用快速点对点连接总线方式进行核间交互，非相邻软核之间采用共享缓冲、邮箱及互斥量方式进行核间交互；当交互命令时，相邻软核之间采用快速点对点连接总线结合中断方式进行核间交互，非相邻软核之间采用共享缓冲、邮箱、互斥量或它们结合中断方式进行核间交互。

邮箱比较适用于小于100字节数据的交互，因为发送方需要从自己的内存中拷贝数据，然后写到邮箱的FIFO中去，而相似的接收处理器则需要从FIFO中将数据拷贝出来。当然邮箱的功能可以通过DMA来扩展，以省去数据的复制，从而可传递更大的数据量；互斥量是多核间共享资源时的一种同步机制，属于硬件同步。

中断是异步的，可以收集众多外围设备产生的终端输入，并最终为系统的处理器产生唯一的中断输出，中断寄存器均通过总线上的从接口连接在一起。

FSL是相邻核间的大数据量交互的通信方式，FSL提供了输出FIFO和输入FIFO之间一种点对点的传输通道。它分为M(Master)FSL和S(Slave)FSL两类接口，FSL的写操作存在两种模式：阻塞模式和非阻塞模式。如果FIFO已满，在阻塞模式下处理器会等待，直到FIFO因为输出变得不满为止；而在非阻塞模式下，写操作被禁止，同时在MSR中设置进位信号，这时指令仍将被执行。同样地，读操作也存在两种模式。从输入FIFO到寄存器内容转移过程需要两个时钟周期(只要FIFO中有数据)，如果FIFO中没有数据，那么在阻塞模式下，处理器会等待，直到FIFO因为输入而获得数据为止；而在非阻塞模式下，数据的传输没有发生，同时在状态寄存器中设置进位信号，但是传输仍将被完成。