基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

隨著FPGA 技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)(SOPC)作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，融合了SoC和FPGA 各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向。SOPC的核心是在FPGA上實現(xiàn)的嵌入式微處理器核，目前主要有Xilinx公司集成的32位軟核MicroBlaze[1] ，32位PowerPC系列處理器硬核PowerPC405、PowerPC440，ARM公司的CortexA9，以及Altera公司的Nios系列微處理器軟核等。本文主要介紹Xilinx公司的MicroBlaze 軟核結(jié)構(gòu)，對其體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計流程和相關(guān)開發(fā)工具一一進(jìn)行介紹，并在實際的無線電監(jiān)測系統(tǒng)[2]中采用此方案，構(gòu)建了一個小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的軟件無線電處理平臺。

1 MicroBlaze處理器結(jié)構(gòu)

MicroBlaze軟核處理器是可配置的精簡指令集（RISC）32位CPU，該RISC核針對Xilinx公司的FPGA芯片進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計人員可以根據(jù)設(shè)計定制處理器的可選配置，根據(jù)版本的不同，配置不同的選項。該軟核處理器具有以下幾個方面的特征：
◆ 32個32位通用寄存器；
◆ 32位3個操作數(shù)的指令字，指令字有2種尋址模式；
◆ 分離的32位地址總線和數(shù)據(jù)總線；
◆ 具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存，3級和5級流水線操作；
◆ 靈活的總線結(jié)構(gòu)，支持LMB、OPB、PLB、XCL、FSL片上總線接口等，新推出的系列還支持AXI總線接口；
◆ 支持MMU存儲管理、FPU浮點單元、高速緩存、異常處理和調(diào)試邏輯等可根據(jù)性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減的高級特性。

MicroBlaze的這些特性極大地擴展了其應(yīng)用范圍，MicroBlaze處理器的內(nèi)核仍在不斷更新之中，目前使用的版本MicroBlaze v7.1，其內(nèi)部架構(gòu)如圖１所示。

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圖1 MicroBlaze處理器結(jié)構(gòu)圖

圖1中MicroBlaze處理器的外部接口定義如下：
① DPLB（Data Processor Local Bus）、DOPB（Data Onchip Peripheral Bus）：數(shù)據(jù)接口，處理器本地總線，用于處理器與片內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)交換。
② IPLB（Instruction Processor Local Bus）、IOPB（Instruction OnChip Peripheral Bus）：指令接口，用于指令讀取通道。
③ DLMB（Data Local Memory Bus）：數(shù)據(jù)接口，本地存儲器總線，用于高速數(shù)據(jù)交換。
④ ILMB（Instruction Local Memory Bus）：指令接口，實現(xiàn)高速指令讀取。
⑤ MFSL0~15（Main Fast Simple Link）：FSL主設(shè)備數(shù)據(jù)接口，提供點對點數(shù)據(jù)通道；SFSL0~15（Slave Fast Simple Link）：FSL從設(shè)備點對點數(shù)據(jù)接口。
⑥ DWFSL0~15：FSL主設(shè)備直接連接接口；DRFSL0~15：FSL從設(shè)備直接連接接口；
⑦ IXCL（Instruction side Xilinx CacheLink interface）和DXCL（Data side Xilinx CacheLink interface）：分別為指令高速緩存接口和數(shù)據(jù)高速緩存接口。

2 EDK工具開發(fā)流程

Xilinx公司嵌入式開發(fā)套件工具EDK[3]( Embedded Development Kit)為用于開發(fā)基于MicroBlaze 軟核和PowerPC硬核處理器的SOPC系統(tǒng)提供了一個很好的工具平臺。Xilinx公司的EDK工具主要包含：Xilinx Platform Studio（XPS）人機界面、嵌入式系統(tǒng)工具套件、嵌入式處理IP核、Platform Studio SDK（Software Development Kit，SDK）。XPS提供下面的特性：
◆ 能夠添加核，編輯核參數(shù)，進(jìn)行總線和信號連接，產(chǎn)生MHS文件；
◆ 能夠產(chǎn)生和修改MSS文件；
◆ 支持Xilinx底層所有工具；
◆ 能夠產(chǎn)生和觀察系統(tǒng)塊圖和設(shè)計報告；
◆ 多用戶軟件應(yīng)用支持；
◆ 項目管理；
◆ 過程和工具流程依賴管理。

一個完整的嵌入式處理器系統(tǒng)設(shè)計通常包括3 個部分：硬件系統(tǒng)的構(gòu)建、軟件系統(tǒng)及存儲器映射、應(yīng)用程序開發(fā)。
硬件系統(tǒng)的構(gòu)建是指設(shè)計人員根據(jù)應(yīng)用的需要而使用Xilinx的技術(shù)建立靈活的嵌入式處理子系統(tǒng)。硬件平臺是由一個或多個處理器或外設(shè)連接到處理器總線構(gòu)成的，EDK通過微處理器硬件規(guī)范(Microprocessor Hardware Specification，MHS）文件記錄硬件平臺信息。

軟件系統(tǒng)及存儲器映射是由軟件驅(qū)動和用于建立應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)組成的。所建立的軟件映像文件只包含用戶所使用到的一部分Xilinx的庫。EDK通過微處理器軟件規(guī)范（Microprocessor Software Spectifcation，MSS）記錄軟件平臺信息。設(shè)計人員可以在軟件平臺運行多個應(yīng)用程序。

MHS和MSS數(shù)據(jù)文件定義了嵌入式系統(tǒng)，其開發(fā)流程如圖2所示。

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圖2 EDK嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)流程