基于FPGA的MMU IP軟核設(shè)計及實現(xiàn)*

劉紅偉，梁超廣，朱慧惠，潘 靈，邵 龍，林 勤

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036；2.航空工業(yè)西飛研究院，陜西 西安 710000）

0 引 言

隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，Xilinx公司最新的UltraScale+系列的ZCU102開發(fā)板不同于zynq-7000系列，采用的是64位的處理器armv8+大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷‵ield-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的 SoC模式[1]。與 armv7不同，64位的armv8擁有其獨特的內(nèi)存管理機制[2]。

在armv8+FPGA的SoC模式中，ZCU102中的armv8可以很好地運行Linux嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)豐富的對外接口（如串口、千兆網(wǎng)口、USB、EMMC以及I2C等）；FPGA可以實現(xiàn)并行邏輯算法的加速或高速串行總線協(xié)議之間的邏輯轉(zhuǎn)換（如Rapid IO和PCIE之間的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)操作系統(tǒng)和并行邏輯器件之間的軟硬件結(jié)合。為了能夠訪問Linux嵌入式操作系統(tǒng)中寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA端需要一個內(nèi)存管理單元（MMU）來配合Linux操作系統(tǒng)完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，直接通過物理地址訪問處理器外掛內(nèi)存的數(shù)據(jù)。本文針對這一需求設(shè)計了一個基于FPGA執(zhí)行的包含TLB機制的支持虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換的內(nèi)存管理單元（MMU）IP軟核，同時可以滿足訪問處理器外掛內(nèi)存。

1 ZCU102平臺簡介

1.1 ZCU102開發(fā)板處理器和FPGA之間的數(shù)據(jù)通道簡介

Zynq UltraScale+系列的ZCU102開發(fā)板是ARM和FPGA兩種架構(gòu)芯片結(jié)合的異構(gòu)SoC，包括多處理引擎、顯示、高速外設(shè)（如PCIE、USB以及SATA等）、低速I/O功能（如CAN、UART、SPI以及NAND等）和FPGA，如圖1所示。處理引擎包括基于4核ARMCortexA53系列的處理器APU、大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵幸约肮芾韱卧?。其中，處理器系統(tǒng)和FPGA之間通過AXI總線接口（ACP、M_AXI以及S_AXI等）多種互聯(lián)選擇，實現(xiàn)該異構(gòu)SoC的整體應(yīng)用的靈活性，滿足用戶許多不同的應(yīng)用需求。

圖1 ZCU102平臺

AXI表示的是高級可擴展接口（Advanced eXtensible Interface，AXI），當(dāng)前的版本是AXI4，是ARMAMBA?3.0開放標(biāo)準(zhǔn)的一部分。第三方廠家生產(chǎn)的許多芯片和IP包都是基于這個標(biāo)準(zhǔn)的。Xilinx把AXI4定義為FPGA架構(gòu)內(nèi)使用的優(yōu)化的互聯(lián)技術(shù)[3-4]。其中，ACP是加速一致性端口（Accelerator Coherency Port，ACP），總線寬度為64位，F(xiàn)PGA部分作為主接口；M_AXI和S_AXI是通用AXI接口，總線寬度32位；處理器系統(tǒng)和FPGA都有主或從接口。

1.2 FPGA上實現(xiàn)MMU過程流程

ZCU102的處理器armv8運行Linux操作系統(tǒng)中物理地址到虛擬地址的轉(zhuǎn)換是采用頁表映射的機制實現(xiàn)的。Linux內(nèi)核部分生成數(shù)據(jù)分配的虛擬地址通過頁表映射實現(xiàn)。FPGA部分可以通過訪問數(shù)據(jù)線上的物理地址讀取虛擬地址對應(yīng)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。在開發(fā)板上，F(xiàn)PGA需要一個內(nèi)存管理單元（MMU）完成操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的虛擬地址到內(nèi)存中物理地址的轉(zhuǎn)換，之后FPGA端通過訪問內(nèi)存物理地址讀取生成的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)FPGA端和處理器端外掛內(nèi)存的地址共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從處理器端到FPGA端的傳輸。ZCU102開發(fā)板上處理器和FPGA之間的MMU功能實現(xiàn)過程的功能流程，如圖2所示。處理器系統(tǒng)中armv8上運行Linux操作系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)的頭虛擬地址和L1頁表地址通過M_AXI發(fā)到FPGA的S_AXI，之后傳到FPGA的MMU（內(nèi)存管理單元），解析出L2、L3、L4頁表的物理地址。通過ACP讀取下一級頁表的地址，最后在FPGA的MMU中組合出數(shù)據(jù)虛擬地址對應(yīng)的物理地址，訪問內(nèi)存，將數(shù)據(jù)讀到FPGA，完成數(shù)據(jù)的傳輸過程。

圖2 FPGA上實現(xiàn)MMU處理過程的功能劃分

2 FPGA上的內(nèi)存管理單元（MMU）的設(shè)計

FPGA上MMUIP軟核的設(shè)計主要由2部分組成，如圖1所示，一部分是虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換的邏輯，另一部分是TLB的邏輯。

2.1 Armv8的內(nèi)存管理體系

運行在armv8的Linux采用分頁式內(nèi)存管理機制。內(nèi)存空間分為用戶（User）空間和內(nèi)核（Kernel）空間[5]。當(dāng)使用用戶空間的地址進行翻譯時，使用的是TTBR0_EL0寄存器的值作為查找表的基地址；當(dāng)使用內(nèi)核空間的地址進行翻譯時，則使用TTBR1_EL1寄存器的值作為查找表的基地址，如圖3所示。

圖3 armv8內(nèi)存映射機制

Armv8在執(zhí)行Linux內(nèi)核時支持多種內(nèi)存轉(zhuǎn)換粒度及其對應(yīng)的虛擬地址位寬，如表1所示。

表1 不同內(nèi)存轉(zhuǎn)換粒度對應(yīng)的虛擬地址位寬

2.2 MMU的原理及工作流程

本文的MMUIP核的設(shè)計依據(jù)運行在4kB的內(nèi)存轉(zhuǎn)換粒度和39bit的虛擬地址位寬內(nèi)核的Linux來完成。整個MMU的工作原理流程如圖4所示。

結(jié)合圖2和圖4的原理，設(shè)計MMUIP核VHDL邏輯工作流程如圖5所示。

具體步驟如下：

（1）Linux端通過MAXI發(fā)送虛擬地址以及TTBR0_EL0或TTBR1_EL1寄存器的值；

（2）進入MMU工作的VHDL邏輯，TTBR0_EL0 或 TTBR1_EL1[47：12]與 虛 擬 地 址 [38：30]以 及“000”進行第一次拼接，獲得L2頁表地址并將其通過MMUIP端MAXI發(fā)送到PS的ACPSAXI接口上；

圖4 MMU的工作原理流程

（3）將ACPSAXI接口獲得的L2頁表地址解析后得到PUD的值，同時MMUIP端MAXI接口將會獲取到 PUD[47：12]的值、虛擬地址 [29：21]以及“000”進行第二次拼接，獲得L3頁表地址并發(fā)送給PS；

（4）將ACPSAXI接口獲得的L3頁表地址解析后得到PMD的值，同時MMUIP端MAXI接口將會獲取到 PMD[47：12]的值、虛擬地址 [20：12]以及“000”進行第三次拼接，獲得L4頁表地址并發(fā)送給PS；

（5）將ACPSAXI接口獲得的L4頁表地址解析后得到PTE的值，并將PTE的值保存到TLB緩存中，同時MMUIP端MAXI接口將會獲取到PTE[47：12]的值與虛擬地址[11：0]進行第四次拼接，獲得物理地址并發(fā)送給PS；

（6）將ACPSAXI接口獲得的物理地址解析后得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時MMUIP端MAXI接口將會獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行保存；

（7）將虛擬地址進行間隔16bit的疊加，并判斷數(shù)據(jù)是否獲取完成。如果未完成且虛擬地址超出4kB的內(nèi)存細粒度，則進入TLB緩存機制獲取PTE的值；如果未完成但虛擬地址超出4kB的內(nèi)存細粒度，則返回到步驟（2）。

2.3 MMU的VHDL邏輯及狀態(tài)機的設(shè)計

按照2.2節(jié)的MMU工作原理，使用Vivado設(shè)計和封裝IP核時，虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換VHDL邏輯和MMU狀態(tài)機的設(shè)計，分別如圖6、圖7所示。

該狀態(tài)機采用單進程設(shè)計，共有11個狀態(tài)。狀態(tài)機從Read addr狀態(tài)進入，讀取到虛擬地址后進入Read tlb狀態(tài)判斷是否觸發(fā)TLB緩沖器。如果觸發(fā)，則進入Read Data cmd狀態(tài)讀取讀數(shù)據(jù)指令，進而進入Read Data狀態(tài)讀數(shù)據(jù)后返回Read addr狀態(tài)等待虛擬地址；如果沒有觸發(fā)，TLB緩存器則進入Read pud cmd狀態(tài)讀取讀PUD值指令，進而進入Read pud狀態(tài)讀取PUD值。如果PUD值的后兩位為全零，則表示未讀取到有效的PUD值，進入PAGE FAULT狀態(tài)，進而返回Read addr狀態(tài)等待虛擬地址；如果讀到有效的PUD值，則依次進入Read pmd cmd狀態(tài)和Read pmd狀態(tài)讀取PMD值。如果PMD值的后兩位為全零，則表示未讀取到有效的PMD值，則進入PAGEFAULT狀態(tài)，進而返回Read addr狀態(tài)等待虛擬地址；如果讀到有效的PMD值，則依次進入Read pte cmd狀態(tài)和Read pte狀態(tài)讀取PTE值。如果PTE值的后兩位為全零，則表示未讀取到有效的PTE值，進入PAGEFAULT狀態(tài)，進而返回Read addr狀態(tài)等待虛擬地址；如果讀到有效的PTE值，則依次進入Read data cmd狀態(tài)和Read data狀態(tài)讀取讀數(shù)據(jù)，隨后返回Read addr狀態(tài)等待虛擬地址。

圖5 MMUIP軟核VHDL邏輯工作流程

圖6 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換VHDL邏輯

圖7 MMU狀態(tài)機

3 仿真及驗證

3.1 仿真及驗證平臺

本文設(shè)計的是一個可以運行在ZCU102平臺的MMUIP核。為了能夠使該IP核可以正常工作，需要在ZCU102平臺上運行64位的Linux系統(tǒng)，以及利用Vivado設(shè)計相應(yīng)的工程進行測試。

本次測試的環(huán)境：Xilinx公司ZCU102 REVISION1.1開發(fā)板，Vivado 2018.3開發(fā)軟件，64位Linux操作系統(tǒng)。

本次測試的基本流程：在Linux操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個函數(shù)，函數(shù)內(nèi)容包括申請一段64位數(shù)據(jù)類型的用戶空間內(nèi)存，生成一段數(shù)據(jù)寫入該段用戶空間內(nèi)存，并將該段用戶內(nèi)存空間的起始地址和TTBR0_EL0寄存器的值發(fā)送給MMU。

利用Vivado 2018.3軟件創(chuàng)建Vivado工程，該Vivado工程包括MMU IP軟核和ZCU102的PS的IP核。綜合后添加ILA核調(diào)試工具生成bit文件和ltx文件，通過仿真器加載到開發(fā)板中即可調(diào)用Linux系統(tǒng)中設(shè)計的函數(shù)進行測試。

3.2 ILA調(diào)試工具仿真結(jié)果

64位的Linux內(nèi)核在ZCU102開發(fā)板中初始化結(jié)束后調(diào)用函數(shù)，完成虛擬地址和TTBR0_EL0寄存器的值發(fā)送后，通過ILA調(diào)試工具可以得到如圖8所示輸出波形。

圖8 ILA調(diào)試的仿真波形

通過調(diào)試平臺得到的波形可以看出，MMU能夠很好地讀取到Linux內(nèi)核分配的內(nèi)存地址以及其相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中，虛擬地址的首地址為0x0038ca83a0，TTBR0_EL0寄存器的值為0x87aaab000，第一次與虛擬地址的[38：30]位拼接后查表得到的PUD的值為0x87a022003，第二次與虛擬地址的[29：21]位拼接后查表得到的PMD的值為0x87a816003，第三次與虛擬地址的[20：12]位拼接后查表得到的PTE的值為0x87bc9ff53，最終與虛擬地址的[11：0]位拼接得到的物理地址為0x87bc9f3a0，對應(yīng)的值為0x1fff以及下一位的值0x1ffe。虛擬地址加16bit后為0x0038ca83b0，可以觸發(fā)TLB緩存，直接可得其對應(yīng)的物理地址為0x87bc9f3b0，對應(yīng)的值為0x1ffd以及下一位的值0x1ffc，可以滿足設(shè)計時的需求。

4 結(jié) 語

針對armv8的內(nèi)存管理機制，結(jié)合FPGA對應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取的高效率和大吞吐量的需求，本文設(shè)計了一個可以適用于Xilinx公司的ZCU102開發(fā)板的包含了TLB緩存的MMU IP軟核。實驗表明：該MMU IP軟核可以從處理器端外掛的DDR存儲顆粒內(nèi)穩(wěn)定高效地獲取大吞吐量的數(shù)據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于FPGA和處理器端之間數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用場景。