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S03_CH13_ZYNQ A9 TCP UART双核AMP例程
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S03_CH13_ZYNQ A9 TCP UART双核AMP例程
13.1概述
ZYNQ中存在两个独立的ARM核，在很多应用场景中往往只需使用其中的1个核心即可。然而，对于复杂的设计，例如多任务，并行控制、处理等，单个核心将难以胜任。因此，为了尽可能发挥ZYNQ中双ARM核的优势和性能，进行双核应用的开发显得尤为重要。同时，也进一步为Xilinx下一代MPSOC多核异构处理器的使用打下基础。
在ZYNQ中实现双ARM核AMP应用可以参考Xilinx官方的XAPP1078和XAPP1079。在SDK中也有用于双核应用开发的openamp库可以使用。
本例程未使用openamp库，通过自行设计的代码实现了一个简单的双核应用，旨在说明：
l 双核通过软件中断进行核间通信的原理及方法。
l 双核通过共享内存进行数据交互的基本原理和设计方法。
l 双核协同工作的基本模式。
l 双核BOOT的方法。
本例程基于vivado 2015.4开发。
13.2基本原理
本例程在ARM核的CORE0建立一个TCP Server，CORE0通过TCP Server从外部TCP Client接收数据。当CORE0接收到1个TCP包后，将数据复制到DDR3中的缓存区域内，然后将数据信息（长度、首地址）放入CORE0和CORE1在DDR3的共享内存中。
接着，CORE0通过触发软件中断通知CORE1数据信息已存入共享内存中，CORE1接到中断后从共享内存读出数据信息，并将对应长度的数据复制到缓存区中，然后通过UART将数据输出。当CORE1通过串口完成数据输出后，同样通过触发软件中断通知CORE0数据发送已完成，CORE0接到中断后通过串口打印完成信息，然后开始接收下一个TCP包，重复上述过程。
最后，通过FSBL实现双核的QSPI BOOT。
13.2.1软件中断
在UG585的Interrupts 部分7.2.1章节可以找到关于软件中断（SGI）的说明。简而言之，软件中断就是CPU自己产生的中断，可用于触发自身和其他CPU。ZYNQ中共有16个软件中断可以使用，对应的中断号为0~15，如下图所示。通过软件中断可以实现CPU之间的相互通信。本例程使用了编号1和2的软件中断。
13.2.2共享内存通信
所谓共享内存就是，CORE0和CORE1在DDR3内存中约定一块地址及长度已知的内存区域。然后，两者之间便可通过这片区域进行数据的传递。
两个核心各自拥有独立的L1 DCache，并且共享同一个L2 DCache，在ZYNQ中存在一个Snoop Control Unit (SCU)用于维护CORE0和CORE1的L1 DCache与L2 DCache之间的一致性，无需用户干预。因此，虽然CORE0和CORE1的共享内存区域位于DDR中，两者之间的数据传递并不需要考虑DCache一致性的维护。但是，为了更好阐明多级存储器结构的特性以及DCache一致性维护的问题，本例程在两核间通过DDR3共享内存进行数据交互时加入了DCache一致性操作，最终达到的效果与不使用DCache一致性操作时相同。
DCache一致性维护的原理为：在多级存储器结构中，CPU通过1级或多级Cache与DDR产生连接，CPU本身不直接访问DDR，而是通过Cache访问DDR。Cache中始终会暂存一小部分（通常是KB~几MB量级）CPU最近访问的DDR某些地址区域中的数据。因此，在应用程序中对DDR进行读或写操作，实际上都是CPU对Cache进行读或写操作。当DDR中某个地址范围内的数据突然被除CPU以外的Master（如DMA）改变时，若此时Cache中保存了这些区域的数据，且这些数据在Cache中状态为有效时，当CPU需要再次读取DDR这片区域的数据时，就不会让Cache去读取DDR中此区域内最新的数据来更新Cache，再从Cache里读取最新的数据，而是直接从Cache中读取原来的旧数据，显然这不是我们所期望的结果。这时，便引入了所谓的Cache一致性问题。
ZYNQ中存在ICache和DCache，ICache用于缓存可执行程序，DCache用于缓存数据。一般情况下，用于保存可执行程序的DDR地址范围不会被除CPU以外的对象访问。因此，一般不存在ICache的一致性问题。而DCache在很多应用中却经常会被除CPU以外的对象访问，所以存在一致性问题。
ZYNQ中维护DCache一致性的方法为：写入方将数据写入DDR对应地址区域后，需将残留在DCache中相应地址范围内的数据全部刷入DDR3中。读取方在从DDR相应地址读取数据之前，需将DCache中DDR相应地址范围内的数据全部设置为invalid，然后CPU会再次通过DCache从DDR3中读取该地址范围内最新的数据。
13.2.3双核BOOT
裸机双核BOOT的方法参考自Xilinx的XAPP1079。首先，通过FSBL实现CORE0的BOOT。当CORE0启动进入main函数后，配合FSBL再实现CORE1的启动。
具体原理参考XAPP1079，此处不作赘述。
13.3驱动程序
CORE0工程的驱动程序文件位于c_driver文件夹中的core0文件夹中，CORE1工程的驱动程序文件位于c_driver文件夹中的core1文件夹中。需要说明的是，core0和core1的工程在DDR所占用的地址区域进行如下划分：
l CORE0: 0x00100000~0x01FFFFFF，见下图core0的lscript.ld文件设置。
l CORE1: 0x02000000~0x02FFFFFF，见下图core1的lscript.ld文件设置。
设计双核应用，两个工程的内存分配是一个关键的前提，程序所占用的DDR空间不能发生重合，应完全分隔开。
13.3.3 CORE0工程
13.3.3.1 main函数
main函数的完成的功能如下：
l 配置Timer及其中断
l 初始化中断控制器
l 初始化软件中断
l 初始化LWIP协议栈
l 建立TCP Server，启动Timer
l 配合FSBL启动CORE1
l 持续从LWIP协议栈接收数据，若接收到CORE1触发的软件中断，则作出响应。
13.3.3.2建立TCP Server
基于LWIP库在ARM中建立一个TCP Server，IP地址为192.168.1.10，端口号为5010。
l lwip库设置
见“基于TCP的QSPI Flash bin文件网络烧写”例程。
l 程序解析
见“基于TCP的QSPI Flash bin文件网络烧写”例程。
13.3.3.3 初始化软件中断
通过software_intr.c中的Init_Software_Intr()函数初始化软件中断，对于CORE0，该函数完成如下功能。
l 初始化CORE1到CORE0的软件中断，中断号为2，设置中断优先级和触发方式。
l 绑定该中断的中断服务函数为Cpu0_Intr_Hanedler。
l 将该中断映射至CORE0，并使能。
13.3.3.4 启动CORE1
通过main.c中的Start_cpu1()函数配合FSBL完成CORE1的启动。Start_cpu1()原理如下：
l 将FSBL工程位于OCM中的.stack区域和vector table区域的cache禁用。
l 将CORE1工程代码的位于DDR中的起始地址0x02000000（见core1的lscript.ld）写入FSBL的vector table中定义的cpu1_catch地址内。CORE1工程代码的起始地址由如下宏所定义。若core1的lscript.ld中代码位于DDR的起始地址发生更改，则该宏定义也必须进行相应更改。
#define APP_CPU1_ADDR 0x02000000
l 复位CORE1及其时钟
l 使能CORE1及其时钟
13.3.3.5 数据写入共享内存
CORE0通过TCP协议接收外部TCP Client发送的数据包，并将数据信息写入CORE0和CORE1共享内存中。共享内存首地址定义为：
#define SHARED_BASE_ADDR0x08000000
为共享内存区域在shared_mem.h中定义结构体shared region，其中包含了两核间所需交互的数据长度及数据指针。
typedefstruct
{
u32data_length;
u8* dataload;
}shared_region;
CORE0通过shared_mem.c中的put_data_to_region()函数将所需传递的数据长度及指针存入shared region结构体中。在put_data_to_region函数中调用Xil_DCacheFlushRange函数将DCache中该数据指针所指向内存区域的数据刷入DDR中，进行DCache一致性维护。
CORE0将此结构体放置于共享内存首地址SHARED_BASE_ADDR，CORE1便可以从该地址读取CORE0所需传递的数据信息，从而进一步获取数据。
13.3.3.6 触发软件中断
CORE0通过调用shared_mem.c中的Gen_Software_Intr函数触发CORE0到CORE1的软件中断，中断号为1，中断目标CPU设置为CORE1。
13.3.3.7响应软件中断
当CORE1向CORE0触发中断号为2的软件中断时，CORE0调用Cpu0_Intr_Hanedler函数响应此中断。然后，CORE0通过串口打印相应信息。
13.4 CORE1工程
13.4.1 main函数
main函数的完成的功能如下：
l 配置Timer及其中断
l 初始化中断控制器
l 初始化软件中断
l 等待CORE0触发的软件中断，将CORE0通过共享内存传递的数据由串口输出
l 串口数据输出完成后触发CORE1到CORE0的软件中断
13.4.2初始化软件中断
通过software_intr.c中的Init_Software_Intr()函数初始化软件中断，对于CORE1，该函数完成如下功能。
l 初始化CORE0到CORE1的软件中断，中断号为1，设置中断优先级和触发方式。
l 绑定该中断的中断服务函数为Cp1_Intr_Hanedler。
l 将该中断映射至CORE1，并使能。
13.4.3响应软件中断
当CORE0向CORE1触发中断号为1的软件中断时，CORE1调用Cpu1_Intr_Hanedler函数响应此中断。然后，CORE1开始从共享内存中读取CORE0所传递的数据。
13.4.4共享内存数据读出
CORE1从共享内存区域SHARED_BASE_ADD地址中获取CORE0传递的数据信息，通过shared_mem.c中的get_data_from_region()函数将CORE0传递的数据长度及指针读出，并复制到本地缓存中。
在get_data_from_region函数中，在将CORE0传递的数据复制到本地缓存区域之前，调用Xil_DCacheInvalidateRange函数将DCache中该数据指针所指向内存区域的数据设置为invalid，进行DCache一致性维护。
13.4.5触发软件中断
当CORE1将从共享内存中读取的数据通过串口输出完毕后，CORE1通过调用shared_mem.c中的Gen_Software_Intr函数触发CORE1到CORE0的软件中断，中断号为2，中断目标CPU设置为CORE0。以此通知CORE0，CORE1串口输出数据完成。
13.5工程创建及设置关键步骤
l CORE1工程创建时Processor要选择ps_cortexa7_1，不要选成ps_cortexa7_0，如下图所示。
l 创建FSBL工程后，需替换其bsp的standalone库。
首先，设置工程目录下sdk_repo文件夹的路径，sdk_repo文件夹中包含了需要使用的standalone库，如下图所示。用户需要根据自己所建工程的实际路径进行修改，使用原工程的路径设置将产生错误。
其次，更改FSBL工程的bsp中standalone的版本，将其更换为sdk_repo文件夹中的5.19版本，如下图所示。该版本standalone库来自xapp1079，只有使用该版本的standalone库才可实现双核BOOT，自带的standalone库无法实现。
l 设置CORE1工程的编译选项
在CORE1工程的bsp中要增加编译选项“-DUSE_AMP=1”，如下图所示。该编译选项将影响到CORE1工程代码里中断控制器SCUGIC的初始化函数以及Cache操作函数的编译，若不增加该选项，可能会出现CORE0和CORE1中断异常和Cache一致性维护异常。
13.6工程调试关键步骤
l system debugger里同时添加core0和core1工程文件，如下图所示。Debug时先让CORE0运行，再让CORE1运行。
l Debug时一定要注释CORE0工程中main函数里的Start_cpu1函数，否则在debug时，CORE1将无法正常工作。只有当需要生成BOOT.bin文件时，才需要使用该函数。
13.7网络调试助手操作方法
在SDK中下载程序至ZYNQ中。打开网络调试助手，选择TCP Client方式，输入ARM中定义的TCP Server的IP地址和端口号，然后点击连接按键，建立TCP连接。输入任意文字信息发送。如图所示。
SDK终端串口输出的信息如下图所示。
继续通过网络调试助手发送信息，串口输出如下图所示。
13.8生成BOOT.bin
切记在生成BOOT.bin文件时不要注释CORE0工程中main函数里的Start_cpu1函数，否则将无法BOOT CORE1。生成BOOT.bin文件时依次添加FSBL工程的elf，bit文件，CORE0和CORE1的elf文件，如下图所示。
13.9双核BOOT验证
将BOOT.bin文件烧入QSPI flash中，重启开发板。SDK串口终端输出信息，如下图所示。当提示“core1:application start”，代表CORE0和CORE1都已成功启动。
使用网络调试助手进行TCP连接并发送数据，串口输出如下图所示。此时，验证了双核BOOT后，CORE0和CORE1均运行正常。
