ZYNQ双核处理器独立运行AMP

一、简介

多核处理器从多核的结构上是否一致，分为两种基本架构：同构多核架构和异构多核架构。同构多核处理器是指系统中的处理器在结构上是相同的；而异构处理器是指系统中的处理器在结构上是不同的，这些处理器可以是通用处理器，也可以是解决某些特定应用的专用硬核。同构多核架构相比于异构多核架构，在硬件和软件设计上较为简单，通用性较高。但在某些特定应用场合下，如异构多核架构专用的硬件加速硬核，异构多核架构的性能会更高。

Xilinx 的 ZYNQ SOC 融合了这两种架构，ZYNQ SOC 芯片包含两个独立的 Cortex-A9 处理器，这两个处理器核在结构上是相同的，同时又包括了可编程的逻辑单元（PL），使得 ZYNQ 整体系统成为了一个异构多核系统，同时具有较高的通用性和性能。

从软件的角度看，多核处理器的运行模式有 AMP（非对称多处理）、SMP（对称多处理）和 BMP（受

约束多处理）三种运行模式。

AMP 运行模式指多个内核相对独立的运行不同的任务，每个内核相互隔离，可以运行不同的操作系统

（OS）或裸机应用程序。

SMP 运行模式指多个处理器运行一个操作系统，这个操作系统同等的管理多个内核，如 PC 电脑。

BMP 运行模式与 SMP 类似，但开发者可以指定将某个任务仅在某个指定内核上执行。

一般来说，SMP 为较高级的应用提供统一的 OS 平台，开发者在 OS 之上构建应用时，无需考虑两个内核之间的资源共享和进程间通信。除此之外，对 SMP 而言存在性能开销，这会对实时性要求较高的应用，其性能造成较大影响。如 PC 机电脑的多核处理器一般运行在 SMP 模式，实现的功能较为复杂，但对实时性的要求不高。

如下是AMP 与 SMP 运行模式的框图

ZYNQ-7000 SOC 提供了两个 Cortex-A9 处理器，这两个处理器在 AMP 的机制下，可以运行各自独立的操作系统或者裸机应用程序。本次试验采用的是双核 AMP 的运行模式，两个 CPU 分别运行不同的裸机应用程序。

ZYNQ 中的 OCM 包括 256KB 的 RAM 和 128KB 的 ROM（BootRom），其中可以被两个 CPU 进行改写的，就是 256KB 的 RAM。OCM 分为 4 个 64KB RAM，存储空间较小，而外置的 DDR3 存储器一般存储空间较大。当两个 CPU 需要进行大量数据交互的时候，可以使用 DDR3 存储器作为共享内存；而当交互的数据较少时，既可以使用 OCM 作为共享内存，也可以使用 DDR3 存储器作为共享内存。值得一提的是，当交互的数据量较少时，OCM 作为共享内存有着独特的优势，与 DDR 内存相比，OCM 提供了非常高的性能和来自两个处理器的低延迟访问。

本次试验的两个 CPU 都会使用到串口，并且 CPU0 会对 OCM 进行写操作，CPU1 对 OCM 进行读操作，这就要求共享外设和内存不能同时访问，以免产生冲突。我们可以利用软件产生中断（SGI）的方式来规避冲突。在初始状态下，CPU0 先使用串口，在接收到用户数据后，将数据写入 OCM 中，并产生中断来触发CPU1 中断，此时 CPU0 不在访问串口和 OCM；CPU1 触发中断后，开始访问串口和 OCM，先从 OCM 中读出数据，通过串口来输出信息，并产生中断触发 CPU0 中断，之后不再访问串口和 OCM；CPU0 接收到CPU1 的中断后，此时可以重新通过串口来接收用户输入的数据，从而避免了共享外设和内存的同时访问。

二、硬件设计