摘 要： 將ARM處理器作為NoC系統(tǒng)中的一個資源節(jié)點，設計了資源網路接口，基于Linux操作系統(tǒng)的基礎上，編寫了FPGA設備的驅動程序。在典型的3×3 2D Mesh結構的NoC系統(tǒng)中進行了測試，結果表明該設計實現(xiàn)了ARM處理器資源節(jié)點和NoC系統(tǒng)中其他IP核數據的高速、可靠傳輸。
關鍵詞： NoC；ARM；Linux；設備驅動；資源網絡接口
在半導體工藝進入深亞微米時代后，由于SoC（System-on Chip）大多采用類似計算機系統(tǒng)的總線結構，使其存在著通信效率低下、全局同步時鐘設計困難等問題，這些問題使得SoC體系結構以及其相應的設計方法在多核的復雜系統(tǒng)中遇到了無法逾越的障礙。為了解決SoC面臨的上述問題，提出了全新的NoC（Network-on-chip）體系結構[1]。NoC技術的核心是將計算機網絡通信的思想移植到芯片設計中來，它采用路由和分組交換技術替代傳統(tǒng)的總線通信方式，從體系結構上徹底解決了片上系統(tǒng)的通信瓶頸和時鐘問題。
目前各國的研究人員正積極從事NoC設計研究，但缺少成熟技術和產品。本設計在開展NoC設計技術研究的基礎上，將ARM處理器作為NoC的其中一個資源節(jié)點，利用ARM處理器功能強大等特點，拓展NoC的應用。
本文通過向ARM處理器中移植Linux操作系統(tǒng)，在此基礎上進行了資源網絡接口和FPGA的設備驅動設計，并對多核系統(tǒng)之間的大量數據高速傳輸通信進行了探索和驗證。
1 NoC系統(tǒng)模型及硬件平臺
NoC是由通信節(jié)點網絡和資源節(jié)點組成，通信資源網絡包括路由節(jié)點和資源網絡接口RNI（Resource-Network-Interface），通信節(jié)點負責資源節(jié)點之間的數據通信，資源節(jié)點完成廣義上的計算任務，資源節(jié)點可以是嵌入式微處理器和DSP核、可重構器件、輸入輸出設備等，它通過資源網絡接口連接到片上網絡中。資源網絡接口是資源節(jié)點與路由節(jié)點之間進行通信的橋梁，主要由發(fā)送模塊和接收模塊組成。其功能是將資源節(jié)點的數據按照傳輸協(xié)議進行打包處理后發(fā)送到片上網絡中，并從將網絡中接收提取有用數據傳遞給資源節(jié)點。NoC系統(tǒng)模型如圖1所示。
本硬件平臺選用Altera Cyclone IV系列的EP4CE115F29 FPGA芯片作為NoC系統(tǒng)的核心部件[2]，在此FPGA中以規(guī)則的3×3 2D-Mesh拓撲結構[3]，虛通道技術的蟲洞數據交換方式以及無鎖死的確定性XY維序路由算法作為理論模型，完成NoC通信框架的構建。本設計將ARM處理器作為NoC系統(tǒng)其中一個資源節(jié)點，通過資源網絡接口和FPGA設備驅動實現(xiàn)ARM與NoC系統(tǒng)其他資源節(jié)點之間數據的交互。
2 ARM處理器資源網絡接口設計
資源網絡接口負責將ARM資源節(jié)點的輸出數據進行組包并發(fā)送至路由節(jié)點，完成接收處理片上網絡傳遞的數據包，并通過中斷方式通知ARM資源節(jié)點接收數據。因此設計分為資源網絡接口發(fā)送和接收兩個部分。
2.1 ARM資源節(jié)點和路由節(jié)點接口結構
ARM資源節(jié)點和路由節(jié)點之間交換數據是異步時鐘域通信，因此涉及到數據接口的同步問題，對于隨機到達的數據，需要建立數據同步機制，通過RAM或者FIFO的緩存實現(xiàn)數據同步，可將前級模塊提供的時鐘作為寫時鐘，使用后級的基本時鐘產生讀信號，完成數據讀出。通過這種方式實現(xiàn)全局異步局部同步（GALS）的設計。
本文在FPGA中構建異步FIFO來完成ARM資源節(jié)點和路由節(jié)點異步時鐘域之間的數據傳送。根據設計的NoC系統(tǒng)中通信節(jié)點整體架構，在RNI中構建兩個異步FIFO，F(xiàn)IFO的存儲深度設置為8，寬度設置為34位，ARM和路由節(jié)點通信時可以根據實際的數據位寬和FIFO進行連接。ARM資源節(jié)點和路由節(jié)點的連接如圖2所示。
2.2 資源網絡接口發(fā)送模塊設計
ARM資源節(jié)點發(fā)出的數據在片上網絡中傳輸需要經過RNI對數據進行相應的打包處理，然后將數據送到路由節(jié)點中，經過路由傳輸后送達目的路由，由目的路由RNI對數據解包后發(fā)送給目的資源節(jié)點。為了能使數據包正確到達目的節(jié)點，一個完整的數據包在經過RNI后被分為若干個微片（flit），flit分為3種類型，即頭微片、數據微片和尾微片。頭flit攜帶數據包源地址、目的地址、數據包長度等信息，尾微片代表著數據包的終結，數據微片表示傳遞的有效數據。路由節(jié)點根據數據攜帶的地址信息將資源節(jié)點發(fā)送的數據進行轉發(fā)。發(fā)送模塊主要由三個部分組成：輸入緩存器（FIFO A）、組包器和控制器。
ARM資源節(jié)點在向路由發(fā)送數據之前首先檢測PORT_AV是否有效（高電平有效），若有效則將數據緩存到FIFO A中，在S1狀態(tài)控制器檢測到該FIFO中有數據就會向路由的本地方向發(fā)送數據傳輸的請求信號req_to_local，并且進入S2狀態(tài)。S2狀態(tài)判斷本地方向是否給出應答信號grant_from_local，若沒有則返回S1同時清除請求信號。如果有應答信號則進入S3狀態(tài)。S3狀態(tài)將輸入緩存器中的數據送到本地方向，完成了數據從ARM資源節(jié)點到片上網絡的傳遞。模塊運行的狀態(tài)轉移圖如圖3所示。
2.3 資源網絡接口接收模塊設計
ARM處理器的資源網絡接口接收模塊對接收數據進行解包處理，提取有用的數據發(fā)給資源節(jié)點。接收模塊主要由輸出緩存器和應答器組成，異步FIFO B是輸出緩存器，用它來存放從路由本地方向發(fā)送過來的數據，應答器是根據FIFO B存儲狀態(tài)對路由的請求給予對應的響應。接收過程具體的狀態(tài)轉移圖如圖4所示。
在S0狀態(tài)中，數據傳輸到路由本地方會向RNI發(fā)送數據傳送請求信號req_from_local，在S1狀態(tài)應答器根據輸出緩沖器FIFO B的存儲情況給出應答信號grant_to_local。路由器在收到應答信號后將數據寫到RNI的FIFO B中。在S2狀態(tài)中應答器檢測到FIFO B中存在有效數據時就會向ARM資源節(jié)點發(fā)送讀數據請求信號receive_req。這個信號是直接連接到ARM的硬件中斷上，ARM資源節(jié)點捕獲這個中斷信號會在S3狀態(tài)給RNI模塊提供讀數據時鐘rclk和輸出緩沖器的讀使能信號read_en_in，進而完成ARM資源節(jié)點接收片上網絡傳來的數據。
3 FPGA設備的Linux驅動程序設計
ARM處理器資源節(jié)點選用的是SamSung公司的S3C24XX系列處理器[4]，并向其中移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)。其內核功能強大，性能高效穩(wěn)定且源代碼開放，這使得設計者可以根據實際的需要對操作系統(tǒng)進行裁減以降低整個系統(tǒng)資源的開銷和功耗。
為了使FPGA能夠在Linux操作系統(tǒng)中工作，為其設計了相應的設備驅動程序。設備驅動程序是應用程序和實際設備之間的軟件層。它為應用程序屏蔽了設備硬件工作的細節(jié)，在應用程序中只需要通過一組標準化調用完成對硬件設備的操作[5]。
本文ARM資源節(jié)點通過設備驅動實現(xiàn)和FPGA之間數據的通信。FPGA設備驅動程序實現(xiàn)的主要功能是：（1）初始化FPGA模塊，注冊FPGA設備，申請中斷號等。（2）通過ioremap（）將資源網絡接口中輸入輸出緩沖器的物理地址映射到內核虛擬空間。（3）捕獲資源網絡接口發(fā)出的中斷信號，并對中斷事件進行處理。（4）根據應用系統(tǒng)要求完成讀寫操作程序的設計。
3.1 驅動硬件接口
FPGA采用存儲總線的方式直接連接在S3C2440的AHB總線上，將其作為ARM處理器的一個外部存儲器進行讀寫操作，硬件連接如圖2所示，其主要連接有16位寬的數據線，地址線以及讀、寫、中斷和片選信號線參照S3C2440存儲控制器的地址空間分布圖，將FPGA設置到bank5的地址空間中，對應的片選信號線為nGCS5，在FPGA內部構造了兩個異步FIFO （FIFO A、B）作為資源網絡接口的輸入、輸出緩沖器，ARM通過訪問異步FIFO完成和FPGA的數據通信。
3.2 驅動的軟件設計
FPGA設備驅動首先在初始化模塊中向Linux操作系統(tǒng)申請設備號，申請成功后，該設備獲得了系統(tǒng)分配的主設備號，并建立起與文件系統(tǒng)的關聯(lián)。關聯(lián)成功后，在應用層可以通過read（）、write（）、ioctl（）等常規(guī)的文件操作對FPGA設備進行操作。
驅動程序為資源網絡接口的輸入、輸出緩沖器分別分配物理地址，程序不能直接通過物理地址來訪問I/O內存資源，必須通過內核函數ioremap（）將緩沖器占用的物理地址映射到內核虛擬空間中。在此基礎上結合系統(tǒng)讀寫網絡資源接口的策略完成驅動程序設計，讀寫資源網絡接口的程序流程圖如圖5（a）、（b）所示。
為了提高系統(tǒng)的效率，避免當設備資源不可用時，用戶不停查詢浪費CPU資源，在驅動程序中設計了阻塞操作，使用等待隊列來實現(xiàn)阻塞進程的休眠和喚醒。應用程序進行read（）函數的系統(tǒng)調用時，若RNI模塊中的輸入緩沖器中沒有數據，驅動程序則將該讀進程添加到等待隊列頭中，使該進程進入休眠狀態(tài)，CPU將資源讓給其他進程。當輸入緩沖器中的數據達到閾值時RNI就會向ARM資源節(jié)點發(fā)出讀數據請求信號，ARM資源節(jié)點通過中斷來捕獲這個通知，在驅動程序的中斷處理函數喚醒休眠的讀進程，將輸入緩沖器中的數據中讀取到內核中，然后通過copy_to_user（）將數據傳遞到用戶空間進行相應的處理。類似的，應用程序中進行write（）函數的系統(tǒng)調用時，ARM處理器通過copy_from_user（）將數據發(fā)送到RNI中。
4 資源網絡接口和驅動功能驗證
本設計在實驗室自行開發(fā)的NoC硬件平臺上進行了運行測試，對于運行結果使用Quartus II 11.0集成開發(fā)軟件下的Signal Tap II嵌入式邏輯分析器進行測試。在測試程序中可以利用它捕捉通信接口相應的時序。
程序運行時，使用Signal Tap II觀測ARM資源節(jié)點發(fā)送數據到路由節(jié)點的時序如圖6所示。從圖中觀測可知數據data_to_local和datain_receive一致，說明數據傳輸正確性。
ARM資源節(jié)點通過接收NoC系統(tǒng)中其他資源節(jié)點發(fā)送來的數據，驗證資源網絡接口以及驅動通信接收功能的正確性。在程序運行時ARM資源節(jié)點將接收到的數據在終端打印出來，經觀察終端顯示的數據和該資源節(jié)點發(fā)送的數據是一致的。實際測試結果表明所設計資源網絡接口和驅動功能的正確性。
本文給出了ARM處理器資源節(jié)點與NoC系統(tǒng)的網絡資源接口設計，并且闡述在嵌入式Linux2.6.30內核下數據通信的驅動的設計和實現(xiàn)過程。系統(tǒng)在此設計的基礎上充分利用ARM及其豐富的外設資源，完成了ARM處理器資源節(jié)點對NoC系統(tǒng)的其他資源節(jié)點進行控制以及數據處理等功能。ARM處理器有豐富的外設接口，能夠穩(wěn)定地運行移植到芯片中的Linux操作系統(tǒng)，以ARM處理器作為NoC片上多核系統(tǒng)的資源節(jié)點可以極大地拓展NoC系統(tǒng)應用空間。
參考文獻
[1] BENINI L， MICHELI G D. Network on chip：A new SoC paradigm[J]. IEEE Computer， 2002， 3（1）：70-78.
[2] Altera Inc. Cyclone IV device handbook[Z] . http：//www.altera.com， 2010.
[3] 高明倫，杜高明.NoC：下一代集成電路主流設計技術[J].微電子學，2006，36（4）.
[4] Samsung. S3C2440 32-bit Microcontroller User′s manual[Z]. http：//www.samsung.com，2004.
[5] CORBET J， RUBINI A， HARTMAN G K.Linux設備驅動程序（第3版）[M].魏永明，譯.北京：中國電力出版社，2006.