在OpenBus系統(tǒng)基礎(chǔ)上的FPGA嵌入式設(shè)計方案詳解

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是美國Xilinx公司于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA內(nèi)部由可綰程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構(gòu)成，包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。目前，面向大規(guī)模可編程器件附的廣泛應(yīng)用，正在不斷地加速電子設(shè)計技術(shù)從硬件電路設(shè)計向“軟”設(shè)計的過渡。Altium Designer是傳統(tǒng)電路設(shè)計軟件Protel的高端設(shè)計版本，除了具備基本的電路原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計功能外，它的特色主要在于增強(qiáng)了FPGA開發(fā)功能，將電子產(chǎn)品的板級設(shè)計、可縮程邏輯設(shè)計和嵌入式設(shè)計開發(fā)融合在一起。

傳統(tǒng)的FPGA系統(tǒng)設(shè)計多是基于硬件描述語言VHDL或者Verilog來完成的，需要開發(fā)者具備一定的硬件描述語言知識，而且這種方式的設(shè)計就可讀性而言具有一定的復(fù)雜度。Altium Designer提出了一種系統(tǒng)級的設(shè)計概念——OpenBus系統(tǒng)，這是一種全新的系統(tǒng)級的FPGA設(shè)計方法。這種設(shè)計方法避開了傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計中用硬件描述語言來編程、仿真和驗(yàn)證等步驟，以更加抽象的方式表示了處理器與外圍設(shè)備間的互聯(lián)，降低了FPGA設(shè)計的復(fù)雜度，簡化了FPGA設(shè)計。

Altium Designer的創(chuàng)新電子設(shè)計平臺NanoBoard 3000提供了將嵌入式智能作為設(shè)計核心的設(shè)計環(huán)境，在這個平臺上可以調(diào)試、下載FPGA嵌入式設(shè)計，實(shí)現(xiàn)電路硬件設(shè)計和基于“軟核”處理器的嵌入式軟件設(shè)計。

1 基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計要素

1．1 OpenBus瞄系統(tǒng)

“OpenBus系統(tǒng)”是一個描述一種使用普通總線實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)邏輯功能性“模塊”連接的術(shù)語。通過這種方法，用戶能夠很快地裝配一個包含滿足應(yīng)用需求的各種功能在內(nèi)的系統(tǒng)。具體來說，OpenBus系統(tǒng)是Altium Designer軟件自帶的高端IP模塊，包含Connectors（連接器）、Processors（處理器）、Memories（存儲器）、Peripherals（外圍設(shè)備）等，如圖1的OpenBus Palette面板所示。設(shè)計時可以根據(jù)設(shè)計需求，直接在OpenBus Palette面板調(diào)用相關(guān)的IP模塊，即OpenBus器件，連接構(gòu)成設(shè)計系統(tǒng)。但要注意的是，這些IP模塊在調(diào)用后，還需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置才能使用。這種OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計方法與傳統(tǒng)的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同，它移除了所有低級別的走線和互連細(xì)節(jié)，能夠快速地構(gòu)建系統(tǒng)。

1．2 FPGA設(shè)計元件庫與軟件平臺搭建器

除了OpenBus Palette面板中的OpenBus器件，要完成FPGA嵌入式設(shè)計，還需要使用Altium Designer軟件中的FPGA設(shè)計元件庫。這些元件庫提供了FPGA設(shè)計中所需的外圍器件。Altium Designer軟件提供的常用的FPGA設(shè)計元件庫有：FPGA NB3000 Port-Plugin．IntLib、FPGA Peripherial．IntLib、FPGA Generic．IntLib、FPGA Configumble Generic．IntLib、FPGA Instruments．IntLib等。

與OpenBus系統(tǒng)配合進(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計的，還有軟件平臺搭建器SwPlatform。因?yàn)檫M(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計時，F(xiàn)PGA器件的外圍引腳常需要驅(qū)動如LED、觸摸屏、揚(yáng)聲器等硬件設(shè)備。而要使這些硬件設(shè)備能正常工作，就要在設(shè)計中包含相應(yīng)的驅(qū)動代碼。這些硬件的驅(qū)動代碼無需自行編寫，Altium Designer的軟件平臺搭建器SwPlatform可以把所有連接外設(shè)所需的低階驅(qū)動代碼整合一起。軟件平臺搭建器SwPlatform采用圖形化方式連接用戶的應(yīng)用程序與底層硬件。在進(jìn)行FPGA設(shè)計時，軟件平臺搭建器SwPlatform可以自動地由FPGA設(shè)計的硬件部分獲取底層硬件的信息。如圖2所示，軟件平臺搭建器SwPlatform自動根據(jù)底層信息（Wrapper，棧層中的HARDWARE部分）提供對于硬件的驅(qū)動（Driver，棧層中的SOFTWARE PLATFORM部分）以及服務(wù)程序（Context，棧層中的APPLICATION CODE部分）。設(shè)計時只需關(guān)注構(gòu)建設(shè)計本身的應(yīng)用程序代碼，不需要考慮過多的底層驅(qū)動代碼。

1．3 創(chuàng)新電子設(shè)計平臺NanoBoard 3000

Altium Designer的創(chuàng)新電子設(shè)計平臺NanoBoard 3000，板載Xilinx公司的FPGA芯片Spartam XC3S 1400AN。通過USB接口，將裝有Altium Designer軟件的PC機(jī)與NanoBoard3000連接，Altium Designer軟件就可以與NanoBoard 3000直接通信，下載并交互地開發(fā)和調(diào)試程序。設(shè)計過程中無需仿真環(huán)境，加快了開發(fā)流程。

NanoBoard 3000板上資源豐富，含高級的I2S立體聲系統(tǒng)，有板載放大器、混音器及立體聲揚(yáng)聲器。全面的視頻輸出，包括S-Video、混合視頻的輸入輸出及VGA輸出。標(biāo)準(zhǔn)的存儲器接口，包括IDE、Compact flash及SD內(nèi)存卡。各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，包括USB、Ethemet、RS-232串口、CAN、pS／2 miniDIN。另外，還有各種通用開關(guān)和LED。FPGA設(shè)計下載前需要配置管腳約束文件，目的是讓設(shè)計輸入輸出端口與目標(biāo)FPGA器件的管腳對應(yīng)起來。在Altium Designer軟件中進(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計，下載程序時，選擇自動配置約束文件功能，就可為FPGA設(shè)計自動添加管腳約束文件。

2 基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

文中基于OpenBus系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個32位處理器TSK3000A控制LED的FPGA嵌入式工程。將嵌入式程序代碼“嵌入”到TSK3000A處理器中，在軟件平臺搭建器SwPlatform提供底層驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，用C語言編寫應(yīng)用程序代碼，控制NanoBoard 3000開發(fā)板上的LED。同時，自動配置FPGA約束文件，在創(chuàng)新電子平臺NanoBoard 3000上下載程序。程序下載調(diào)試成功后，可以看到LED的亮暗情況與嵌入式代碼中預(yù)先設(shè)計的一樣，表明設(shè)計是完全正確的。

2．1 OpenBus 系統(tǒng)設(shè)計與頂層原理圖設(shè)計

在Altium Designer中新建一個FPGA工程，為工程添加原理圖文件和OpenBus文件。打開OpenBus Palette面板，調(diào)用LED Controller、連接器Interconnect、32-bit RISC Processor TSK3000A、SBAM Controller等元件，合理配置OpenBus器件參數(shù)，完成OpenBus文件的設(shè)計，如圖3所示。

將圖3的OpenBus文件生成原理圖符號，在設(shè)計的頂層原理圖中調(diào)用。調(diào)用FPGA設(shè)計元件庫中的其他外圍組成電路的元器件，連線完成頂層原理圖的設(shè)計，如圖4所示。

2．2 軟件平臺搭建器SwPlatform與嵌入式代碼設(shè)計

本設(shè)計中要用32-bit RISC Processor TSK3000A處理器來控制LED，需要添加LED的驅(qū)動程序，如圖5所示。在器件棧中選擇Import from FPGA按鈕，Altium Designer將自動檢查FPGA工程，添加LED Controller和LED Controller Drive，這樣就為LED器件完成了硬件驅(qū)動程序的添加。

在軟件平臺搭建器SwPlatform完成LED器件底層硬件驅(qū)動代碼的基礎(chǔ)上，用C語言設(shè)計應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)32—bit RISC Processor TSK3000A處理器控制LED器件的功能。NanoBoard 3000上有一組共8個LED（RGBUSERLEDS）。程序代碼擬控制LED7的亮度值為最大值的一半，LED0的亮度每隔一定的時間，逐漸增強(qiáng)然后熄滅。程序代碼清單如下：

上述程序中的led_open函數(shù)、led_set_intensity函數(shù)都可以在Altium Designer軟件的知識中心面板查看到其具體含義和調(diào)用方法。

2．3 FPGA管腳映射與設(shè)計下載

FPGA設(shè)計必不可少的一步是通過約束文件，建立設(shè)計端口與實(shí)際目標(biāo)FPGA器件真實(shí)引腳之間的連接關(guān)系。約束文件中詳細(xì)列出了端口到引腳的映射及其它相關(guān)的設(shè)計特性，如時鐘分配等。配置管理器會自動打開，顯示檢測到的約束文件并添加到工程中，約束配置文件就創(chuàng)建完成了。連接NanoBoard 3000與裝有Altium Designer軟件的電腦，成功下載設(shè)計后，占用的資源情況，如圖6所示。在NanoBoard 3000開發(fā)板上可以看到，最左側(cè)的LED7的亮度是程序中設(shè)定的數(shù)值，而最右側(cè)的LED0亮度則是逐漸變化的，LED的亮暗變化情況與設(shè)計意圖一致。

3 結(jié)論

基于OpenBus系統(tǒng)的FPGA嵌入式設(shè)計沒有硬件描述語育的編程，OpenBus文件的設(shè)計像繪制原理圖一樣方便，軟件平臺搭建器SwPlatform為FPGA嵌入式設(shè)計完成了底層的驅(qū)動代碼。結(jié)合Altium Designer的創(chuàng)新電子平臺NanoBoard3000可片內(nèi)在線調(diào)試，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，節(jié)約項目的研發(fā)與設(shè)計時間。這種設(shè)計方法相對傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計開發(fā)，設(shè)計過程大大簡化，符合FPGA嵌入式“軟”設(shè)計的設(shè)計應(yīng)用發(fā)展趨勢。