基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)XBD文件設(shè)計(jì)

　　隨著可編程邏輯器件的不斷進(jìn)步和發(fā)展，FPGA在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于通信、航天、醫(yī)療、工控等領(lǐng)域。Xilinx公司作為全球最大的可編程邏輯器件生產(chǎn)廠商，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了比較全面的解決方案。Xilinx的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境EDK，提供了一種通用的完全集成的硬件和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，使設(shè)計(jì)人員可以利用單個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境快速配置針對(duì)PowerPC硬處理器或Microblaze軟處理器內(nèi)核的平臺(tái)。在EDK開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用用戶向?qū)Э梢詼?zhǔn)確快速地創(chuàng)建一個(gè)新的嵌入式系統(tǒng)，而在這一過(guò)程中，XBD文件決定了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)描述文件MHS以及約束文件UCF的正確與否，在構(gòu)建系統(tǒng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。

　　1 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　利用Xilinx公司的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具EDK就可以完成整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件開(kāi)發(fā)，EDK由XPS(Xilinx Platform Studio)和SDK(Software DevelopmentKit)組成。其中XPS是主設(shè)計(jì)程序平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的所有步驟，并且可以在其中調(diào)用SDK。SDK是軟件開(kāi)發(fā)工具，支持C和C++，主要完成軟件設(shè)計(jì)。在XPS開(kāi)發(fā)環(huán)境下，完整的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

　　MHS和MSS文件都是根據(jù)系統(tǒng)要求在EDK環(huán)境下生成的。MHS文件包含了對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的定義，包括處理器、總線、外圍設(shè)備、地址空間等，用于整個(gè)硬件平臺(tái)的綜合、實(shí)現(xiàn);MSS文件包含了操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等信息，將其輸入到庫(kù)生成器(Libgen)，產(chǎn)生應(yīng)用程序中需要的驅(qū)動(dòng)程序及Xilinx的調(diào)用庫(kù)。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com)

　　嵌入式開(kāi)發(fā)軟件EDK為設(shè)計(jì)人員提供了自動(dòng)化的設(shè)計(jì)向?qū)А狟SB(Base System Builder)，可以指引工程師快速完成整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。在利用BSB創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)過(guò)程中，利用嵌入式硬件平臺(tái)的XBD文件對(duì)板級(jí)各個(gè)功能電路的描述，按步驟選擇需要的電路模塊添加到MHS文件中，從而減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能，降低學(xué)習(xí)難度。因此，一個(gè)新的嵌入式FPGA硬件平臺(tái)確定以后，在EDK中針對(duì)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以利用相應(yīng)的XBD文件，快速建立一個(gè)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)。

　　2 板級(jí)描述文件XBD

　　XBD(Xilinx Board Description)文件定義了電路板的功能模塊以及各個(gè)模塊與FPGA芯片的接口情況，利用BSB可以將XBD文件中包含的功能模塊加入到要建立的嵌入式系統(tǒng)中。

　　在EDK的安裝目錄下，Xilinx公司為設(shè)計(jì)者提供了一些開(kāi)發(fā)板的XBD文件。但是，一個(gè)新的嵌入式硬件平臺(tái)建立后，想要在EDK軟件中利用BSB向?qū)ёx取硬件電路的信息，從而高效無(wú)誤地產(chǎn)生FPGA嵌入式系統(tǒng)，需要針對(duì)電路板上的各個(gè)單元電路設(shè)計(jì)新的XBD文件來(lái)描述硬件平臺(tái)的信息。通常，一個(gè)XBD文件包括如下信息：

　　◆電路板所支持的功能模塊的FPGA接口;

　　◆每個(gè)模塊的屬性、參數(shù)、端口定義;

　　◆不同端口或模塊間的連接信息;

　　◆每個(gè)FPGA引腳的UCF約束信息。

　　由于XBD文件是對(duì)硬件各功能模塊的描述，因此在設(shè)計(jì)XBD過(guò)程中也是以模塊的形式來(lái)表示電路板信息的，而且各個(gè)功能塊的描述具備相似的結(jié)構(gòu)，使用相同的賦值命令進(jìn)行具體參數(shù)定義。

　　2.1，模塊的定義

　　一個(gè)完整的模塊定義如下：

　　BEGIN

　　:

　　END

　　關(guān)鍵字BEGIN表示一個(gè)新的模塊開(kāi)始，后面是要定義模塊的類(lèi)型，中間部分是與描述IP核行為的MPD文件相對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)。當(dāng)前，XBD文件能夠識(shí)別3種類(lèi)型的模塊定義：

　　①I(mǎi)O_INTERFACE。IO_INTERFACE指定了一個(gè)電路板上的物理模塊(不包括FPGA本身)，每一個(gè)IO—INTERFACE在板上應(yīng)該有一個(gè)在FPGA中使用的軟IP核與之相對(duì)應(yīng)。

　　②IO_ADAPTER。IO_ADAPTER指定了連接IO_INTERFACE引腳與相應(yīng)軟IP端口的軟膠合邏輯。

　?、跢PGA。FPGA模塊代表FPGA本身。

　　2.2 賦值命令

　　每個(gè)BEGIN—END模塊包括多個(gè)賦值命令。賦值命令至少包括一個(gè)name—value對(duì)，還可以加入多個(gè)name—value子對(duì)。

　　賦值命令包括：

　?、貯TTRIBIJTE。ATTRIBUTE命令是對(duì)屬性命名的關(guān)鍵字。對(duì)于經(jīng)過(guò)ATTRIBUTE賦值的對(duì)象，EDK工具會(huì)執(zhí)行某種操作或以特定的方式使用該對(duì)象。ATTRIBUTE賦值命令可以在BEGIN—END模塊內(nèi)部或者外部使用。

　　②PARAMETER。PARAMETER命令將IP核中的PARAMETER參數(shù)同XBD文件中的IO_INTERE、ACE聯(lián)系在一起，且PARAMETER命令只能在IO_INTERFACE模塊內(nèi)部使用。

　　③PORT。PORT命令用來(lái)指定電路板上各個(gè)模塊(包括FPGA)的連通性，只能在IO_INTERFACE和IO_ADAPTER模塊內(nèi)使用。

　　PARAMETER和PORT命令后能夠跟隨子屬性，每一個(gè)子屬性也是name—value對(duì)。子屬性必須同PA—RAMETER和PORT命令在同一行，并且用逗號(hào)隔開(kāi)。

　　3 XBD文件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　在基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)中，無(wú)論是硬核Power—PC還是軟核Microblaze處理器，都是通過(guò)IP核的方式與周?chē)O(shè)備進(jìn)行操作的，因此，在XBD中定義電路模塊時(shí)要選擇與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的IP核。在描述IP核行為的MPD文件中，定義了IP核的各種參數(shù)，I0_INTERFACE的子屬性IOTYPE決定了該IP核是否能夠與電路板上的特定模塊進(jìn)行連接，通過(guò)查看MPD文件的信息就可以知道該IP的功能及其各種參數(shù)。例如，對(duì)于電路板上的4個(gè)LED顯示單元，為了能夠利用BSB將其加入到嵌入式系統(tǒng)中，需要在XBD文件中定義一個(gè)能夠?qū)?個(gè)LED進(jìn)行操作的模塊。在基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)中，處理器通過(guò)通用I/O接口GPIO對(duì)LED進(jìn)行操作，故LED在XBD中要定義一個(gè)IOTYPE為GPIO的I0_INTER—FACE模塊，表示可以通過(guò)這個(gè)模塊與實(shí)際電路板上的I/O進(jìn)行通信。在GPIO的MPD文件描述中，對(duì)于I0_IN—TERFACE進(jìn)行了如下定義：

　　IO_INTERFACE IO_IF=gpio_O，IO_TYPE=XIL_GPIO_V1

　　這個(gè)I0_INTERFACE表明IP核可以和GPIO進(jìn)行通信。

　　與電路板上特定模塊通信的IP核選定后，根據(jù)實(shí)際的電路特點(diǎn)，在XBD文件中指定模塊的參數(shù)值，這些參數(shù)值都要與MPD文件中的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。需要指出的是，EDK工具是利用XBD文件中的IO_IS子屬性將IP核的端口與電路板上模塊連接在一起的。在MPD文件中，GPIO的部分描述摘錄如下：

　　MPD文件定義了IOTYPE類(lèi)型為XIL_GPIO_V1的I/O接口，并且有C_GPIO_WIDTH和C_ALL_INPUTS兩個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)跟隨的I0_INTERFACE是通過(guò)IO_IF子屬性來(lái)指定的。同樣，PORT GPIO_IO也是通過(guò)IO_IF子屬性來(lái)表示屬于gpio_0接口的。通過(guò)MPD文件對(duì)GPIO的描述，可以通過(guò)將電路板上的4個(gè)LED電路模塊在XBD文件中定義一個(gè)IO_INTERFACE模塊來(lái)表示。

　　可以看到，MPD文件中I0TYPE類(lèi)型為XIL_GPIO_V1的IO_INTERFACE同XBD文件中IOTYPE類(lèi)型同樣為XIL_GPIO_V1的LEDs_4BIT模塊是匹配的。因此，子屬性IO_IS決定了IP核中的端口同XBD文件中哪個(gè)端口連接。最終，利用自己設(shè)計(jì)的XBD文件中的LEDs_4BIT模塊，通過(guò)BSB建立一個(gè)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)。實(shí)際電路板中4個(gè)LED在構(gòu)建的硬件配置文件MHS中的描述如下：

　　類(lèi)似于在XBD文件中設(shè)計(jì)一個(gè)與4個(gè)LED進(jìn)行通信的GPIO模塊，利用同樣的方法，在XBD中能夠完成電路板上其他模塊的設(shè)計(jì)，如UART、按鍵、存儲(chǔ)器等。在XBD文件中將電路板上所有的模塊信息設(shè)計(jì)完成之后，為了使EDK軟件中的開(kāi)發(fā)向?qū)SB能夠讀取到自己設(shè)計(jì)的XBD文件的信息，要將XBD文件存放到EDK安裝目錄下的/boards中。應(yīng)該注意的是，開(kāi)發(fā)板的目錄名稱(chēng)必須同板本身的名稱(chēng)相同，每個(gè)開(kāi)發(fā)板目錄下應(yīng)該包括一個(gè)/data目錄，XBD文件必須以_v2_2_O.xbd的形式命名，并且存放在這個(gè)/data目錄下，例如…/boards/myboard_revl/data/myboard_rev1_v2_2_0.xbd。這樣，在利用BSB創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)過(guò)程中，XPS工具就會(huì)自動(dòng)搜索/boards目錄，并將該目錄下存在的描述開(kāi)發(fā)板信息的XBD文件在創(chuàng)建向?qū)SB中顯示出來(lái)。

　　4 總 結(jié)

　　板級(jí)描述文件XBD在利用BSB快速構(gòu)建基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)中起著非常重要的作用，本文針對(duì)新的硬件平臺(tái)的XBD文件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。在XBD文件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)電路板上的各個(gè)實(shí)際電路模塊，通過(guò)對(duì)照相應(yīng)描述IP行為的MPD文件進(jìn)行各個(gè)電路模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com)