FreeARM7 IP核的微處理器邏輯擴(kuò)展與驗(yàn)證 - 全文

　　介紹了FreeARM7 IP核的基本概況及其接口特點(diǎn)，以LPC2101為原型對(duì)該IP核進(jìn)行了擴(kuò)展。結(jié)合USB 1.1設(shè)備控制器IP核和自定制硬件邏輯，構(gòu)建了一種微控制器功能驗(yàn)證回路。在主機(jī)端開發(fā)了驗(yàn)證程序、驅(qū)動(dòng)和通信軟件。驗(yàn)證程序下栽執(zhí)行結(jié)果表明，功能驗(yàn)證回路工作正常，微處理器運(yùn)行穩(wěn)定。

　　1 FreeARM7 IP核簡(jiǎn)介

　　FreeARM微處理器的ARM7系列(簡(jiǎn)稱FreeARM7)首發(fā)于www.socvista.com，由Free-arm聯(lián)合其他ARM愛好者基于ARMv4架構(gòu)開發(fā)而成。整個(gè)IP核代碼采用可綜合的Verilog HDL描述，接口簡(jiǎn)單，描述精煉，全部代碼不超過2000行。在整體設(shè)計(jì)上，采用了三級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，全面兼容各種中斷和操作指令(除Thumb和協(xié)處理器指令)。經(jīng)過評(píng)估可知，該IP核基于FPGA和SMIC工藝庫都有很好的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

　　FreeARM7接口定義如表1所列，概括起來可分為4類：

　　◆系統(tǒng)接口，提供系統(tǒng)控制信號(hào);

　　◆中斷源，提供ARM架構(gòu)需要的5個(gè)中斷信號(hào);

　　◆ROM接口，與提供指令的ROM之間的接口;

　　◆單口RAM接口，與單口RAM和外設(shè)之間數(shù)據(jù)交互的接口。

?

　　其中，單口RAM接口可以實(shí)現(xiàn)兩類用途：一、掛接單口RAM，使得FreeARM7能夠正確地讀寫數(shù)據(jù);二、掛接外設(shè)，使得FteeARM7能夠正確操作外設(shè)。

　　2 微處理器改進(jìn)與邏輯擴(kuò)展

　　基于FreeARM7的微處理器改進(jìn)與邏輯擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)如圖1所示。預(yù)期的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是：在主機(jī)上編寫嵌入式程序匯編成機(jī)器碼后，經(jīng)過USB 1.1設(shè)備控制器傳輸至雙端口RAM中，在微處理器代碼下載模式下，代碼下載控制邏輯將雙端口RAM中的機(jī)器代碼裝載至ROM中，之后啟動(dòng)微處理器正常工作模式，微處理器執(zhí)行ROM中的嵌入式代碼，接收主機(jī)通過USB傳送來的參數(shù)值，并將運(yùn)行結(jié)果通過USB返回至主機(jī)。

?

　　基于Cyclone II FPGA具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，ROM、RAM和雙端口RAM都是利用Quartus II軟件中MegaWizardPlug-In.Manager工具例化相應(yīng)的存儲(chǔ)模塊，而其他硬件邏輯的擴(kuò)展都是以IP核(Verilog描述)的形式出現(xiàn)。

　　2.1 微處理器lP核改進(jìn)

　　FreeARM7 IP核是微處理器的核心部分，不能直接作為微處理器使用，其原因是數(shù)據(jù)總線需要讀取ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)、本文選擇Philips公司32位ARM7微處理器LPC2101作為原型設(shè)計(jì)。LPC2101帶有適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)資源，內(nèi)嵌2 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和8 KB的Flash存儲(chǔ)器，且軟件可移植性好，工作可靠。參考LPC2101工作原理，當(dāng)FreeARM7的輸出信號(hào)ram_addr的最高4位為4'b0時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線需要讀取ROM的數(shù)據(jù)。為解決該問題，新增一個(gè)wrap文件lpc2101_arm.v完成該功能。它的作用是：當(dāng)ram_addr[31：28]==4'b0時(shí)，該邏輯直接從rom_en、rom_addr、rom_data的接口中讀取ROM數(shù)據(jù)，送入ram rdata。

　　2.2 USB1.1設(shè)備控制器

　　本文選用的USB設(shè)備控制器是課題組早期項(xiàng)目之一，它是由Opencores網(wǎng)站提供的初級(jí)開源版本改進(jìn)而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。IP核支持低速和全速模式，共有1個(gè)控制傳輸端點(diǎn)(EP0)、7個(gè)其他可配置端點(diǎn)，且缺少微處理器也能響應(yīng)主機(jī)對(duì)設(shè)備的枚舉。收發(fā)器電路主要完成模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換，即在OUT事物中將模擬信號(hào)D+和D-轉(zhuǎn)換成串行接口引擎模塊可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)rxd、rxdp和rxdn，在IN事物中將數(shù)字信號(hào)txdp和txdn在使能信號(hào)txoe的控制下轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)D+和D-;串行接口引擎模塊主要完成收發(fā)包，根據(jù)傳輸方向可分為接收和發(fā)送，主要包括總線檢測(cè)、同步檢測(cè)、時(shí)鐘恢復(fù)、不歸零反向編碼和解碼、位填充及位去除、數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換;協(xié)議層包括協(xié)議引擎態(tài)機(jī)、組包、解包、FIFO控制器;端點(diǎn)O控制器主要負(fù)責(zé)響應(yīng)主機(jī)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求;描述符RAM存儲(chǔ)了設(shè)備的各種描述符;其他端點(diǎn)控制器及FIFO提供了配置接口，目的是預(yù)留給開發(fā)者進(jìn)行IP核移植。

?

　　2.3 代碼下載控制邏輯

　　該邏輯主要功能是在代碼下載模式下，將雙端口RAM中的匯編程序轉(zhuǎn)移到ROM中，其主要任務(wù)是產(chǎn)生讀雙端口RAM使能信號(hào)和地址信號(hào)，以及寫ROM的使能信號(hào)和地址信號(hào)。在硬件邏輯中通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或退出代碼下載模式時(shí)，計(jì)數(shù)器：rom_wr_cnt清零，否則當(dāng)USB接收完一個(gè)包(64字節(jié))后，置計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cnt_vld有效，rom_wr_cnt開始計(jì)數(shù)。cnt_vld直接作為讀雙端口RAM的使能信號(hào)，cnt_vld兩級(jí)緩存后作為寫ROM的使能信號(hào)。同時(shí)，rom_wr_cnt的低8位直接作為讀雙端口RAM的地址信號(hào)，rom_wr_cnt計(jì)算結(jié)果經(jīng)過兩級(jí)緩存后作為寫ROM的地址信號(hào)。當(dāng)64字節(jié)轉(zhuǎn)移完畢后，置cnt_vld無效，此時(shí)rom_wr_cnt鎖存當(dāng)前值，等待下一個(gè)包接收完畢后再次置cnt_vld有效，代碼下載控制邏輯就將下一個(gè)包的數(shù)據(jù)追加到ROM中，反復(fù)進(jìn)行就完成了代碼經(jīng)由USB接口下載至ROM中。

　　3 嵌入式代碼的開發(fā)

　　3.1 uVision3.63環(huán)境設(shè)置

　　利用μVision3.63新建一個(gè)工程，選擇器件類型為NXP(founded by Philips)系列的LPC2101，在默認(rèn)工程環(huán)境的基礎(chǔ)上做如下確認(rèn)：

　　①在“output”選項(xiàng)卡中選中“Create HEX Flie”，確保產(chǎn)生可供下載的機(jī)器碼。

　?、谠凇癟arget”選項(xiàng)卡中選擇Code Generation為“ARM-Mode”，確保以ARM指令集為依據(jù)產(chǎn)生機(jī)器碼。

　?、墼凇癈/C++”和“Asm”選項(xiàng)卡中分別去選“EnableARM/Thumb Interworking”，確保生成的代碼只包含ARM指令。

　　3.2 Bootloader的設(shè)置

　　Bootloader啟動(dòng)一般分為兩個(gè)階段。第一階段主要包含依賴于微處理器的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化的代碼，設(shè)置堆棧并跳轉(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點(diǎn)，通常采用匯編語言來實(shí)現(xiàn)。第二階段通常用C語言完成，以便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。在μVision3.63軟件自帶的示例工程“Hello”中，通過下面3行代碼實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)階段的工作交接：

?

　　由于本文討論的微處理器只是在FreeARM7基礎(chǔ)之上做了一些基本的擴(kuò)展，微處理器的體系結(jié)構(gòu)硬件單一，因此第一階段主要是對(duì)堆棧位置和大小進(jìn)行設(shè)置。對(duì)USB接口的初始化在第二階段的C程序中進(jìn)行，初始化程序如下：

?

?

　　4 微處理器的功能驗(yàn)證

　　在完成前面的工作之后，借助FPGA對(duì)微處理器進(jìn)行了功能驗(yàn)證。選用Altera公司DE2開發(fā)板作為硬件邏輯的實(shí)現(xiàn)載體，微處理器IP核工作時(shí)鐘為開發(fā)板上27 MHz晶振輸入，USB控制器IP核工作時(shí)鐘為27 MHz晶振倍頻至48 MHz。功能驗(yàn)證流程如圖3所示，在主機(jī)上利用μVision 3.63編寫、編譯驗(yàn)證程序后，微處理器進(jìn)入下載模式接收主機(jī)對(duì)設(shè)備的代碼下載，之后進(jìn)入用戶模式接收主機(jī)端傳送的驗(yàn)證程序參數(shù)值，在運(yùn)行代碼后將執(zhí)行結(jié)果返回至主機(jī)，通過與主機(jī)軟件模擬結(jié)果比較達(dá)到驗(yàn)證微處理器運(yùn)行結(jié)果的目的。

?

　　4.1 驗(yàn)證程序開發(fā)

　　數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)是著名的對(duì)稱密鑰分組密碼，它由美國標(biāo)準(zhǔn)FIPS 46-2定義。基于ARM7指令系統(tǒng)，DES的C語言實(shí)現(xiàn)難度不大，但它是對(duì)IP核工作能力的一次綜合檢驗(yàn)。將DES算法分解為密鑰生成算法和加解密算法，對(duì)應(yīng)驗(yàn)證程序中兩個(gè)子函數(shù)，其最終的代碼實(shí)現(xiàn)框架如下：

?

?

　　4.2 主機(jī)驅(qū)動(dòng)與通信軟件開發(fā)

　　Windows驅(qū)動(dòng)程序模型(Windows Driver Model，WDM)旨在提供一種靈活的方式來簡(jiǎn)化各種驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新硬件的支持，降低驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的復(fù)雜度?；赪DM采用Driver Studio開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序框架，在此基礎(chǔ)上添加讀寫管道即可完成驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

　　USB通信軟件采用MFC編寫，主要功能有：將.hex文件以十六進(jìn)制的形式發(fā)送至USB接收USB返回的數(shù)據(jù)，并以十六進(jìn)制的形式顯示。采用DES程序標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試向量，其中初始密鑰K=1A624(289520DEC46，明文P=748502CD38451097，密文C=DDOCFEB783CF3FDE，在通信軟件中代碼下載及驗(yàn)證數(shù)據(jù)的收發(fā)如圖4所示。按照上述原理，還編寫了其他若干驗(yàn)證程序并下載至ROM中，微控制器的執(zhí)行結(jié)果均正確。