基于MicroBlaze軟核的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   摘要：分析軟處理器MicroBlaze的體系結(jié)構(gòu)，給出MicroBlaze內(nèi)核在軟件無線電系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)SOPC（可編程系統(tǒng)芯片）。

    關(guān)鍵詞：FPGA IP Core SOPC MicroBlaze CoreConnect 軟處理器 軟件無線電

Xilinx公司的MicroBlaze 32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。MicroBlaze處理器運(yùn)行在150MHz時(shí)鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，非常適合設(shè)計(jì)針對網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)市場的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。

1 MicroBlaze的體系結(jié)構(gòu)

MicroBlaze 是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）的設(shè)計(jì)。MicroBlaze 處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計(jì)。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并訪問其的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

    （1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MicroBlaze內(nèi)部有32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)32位特殊寄存器—PC指針和MSR狀態(tài)標(biāo)志寄存器。為了提高性能，MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存。所有的指令字長都是32位，有3個(gè)操作數(shù)和2種尋址模式。指令按功能劃分有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、分支、存儲器讀/寫和特殊指令等。指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級流水：取指、譯碼和執(zhí)行，如圖2所示。

（2）存儲結(jié)構(gòu)

MicroBlaze是一種大端存儲系統(tǒng)處理器，使用如圖3所式的格式來訪問存儲器。

（3）中斷控制和調(diào)試接口

MicroBlaze可以響應(yīng)軟件和硬件中斷，進(jìn)行異常處理，通過外加控制邏輯，可以擴(kuò)展外部中斷。利用微處理器調(diào)試模塊（MDM）IP核，可通過JTAG接口來調(diào)試處理器系統(tǒng)。多個(gè)MicroBlaze處理器可以用1個(gè)MDM來完成多處理器調(diào)試。

（4）快速單一連接路接口

MicroBlaze處理器具有8個(gè)輸入和8個(gè)輸出快速單一鏈路接口（FSL）。FSL通道是專用于單一方向的點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)流傳輸接口。FLS和MicroBlaze的接口寬度是32位。每一個(gè)FSL通道都可以發(fā)送和接收控制或數(shù)據(jù)字。

2 CoreConnect技術(shù)

CoreConnect 是由IBM開發(fā)的片上總線通信鏈，它使多個(gè)芯片核相互連接成為一個(gè)完事的新芯片成為可能。CoreConnect技術(shù)使整合變得更為容易，而且在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)中，處理器、系統(tǒng)以及外圍的核可以重復(fù)使用，以達(dá)到更高的整體系統(tǒng)性能。

CoreConnect總線架構(gòu)包括處理器本機(jī)總線（PLB），片上外圍總線（OPB），1個(gè)總線橋，2個(gè)判優(yōu)器，以及1個(gè)設(shè)備控制寄存器（DCR）總線，CoreConnect總線架構(gòu)如圖4所示。Xilinx將為所有嵌入式處理器用戶提供IBM CoreConnect許可，因?yàn)樗撬蠿ilinx嵌入式處理器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。MicroBlaze處理器使用了與IBM PowerPC相同的總線，用作外設(shè)。雖然MicroBlaze軟處理器完成獨(dú)立于PowerPC，但它讓設(shè)計(jì)者可以選擇芯片上的運(yùn)行方式，包括一個(gè)嵌入式PowerPC，并共享它的外設(shè)。

（1）片上外設(shè)總線（OPB）

內(nèi)核通過片上外設(shè)總線（OPB）來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。OPB是一種完全同步總線，它的功能處于一個(gè)單獨(dú)的總線層級。它不是直接連接到處理器內(nèi)核的。OPB接口提供分離的32位地址總線和32位數(shù)據(jù)總線。處理器內(nèi)核可以借助“PLB to OPB”橋，通過OPB訪問從外設(shè)。作為OPB總線控制器的外設(shè)可以借助“OPB to PLB”橋，通過PLB訪問存儲器。

    （2）處理器本機(jī)總線（PLB）

PLB接口為指令和數(shù)據(jù)一側(cè)提供獨(dú)立的32位地址和64位數(shù)據(jù)總線。PLB支持具有PLB總線接口的主機(jī)和從機(jī)通過PLB信號連接來進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)的傳輸?？偩€架構(gòu)支持多主從設(shè)備。每一個(gè)PLB主機(jī)通過獨(dú)立的地址總線、讀數(shù)據(jù)總線和寫數(shù)據(jù)總線與PLB連接。PLB從機(jī)通過共享但分離的地址總線、讀數(shù)據(jù)總線和寫數(shù)據(jù)總線與PLB連接，對于每一個(gè)數(shù)據(jù)總線都有一個(gè)復(fù)雜的傳輸控制和狀態(tài)信號。為了允許主機(jī)通過競爭來獲得總線的所有權(quán)，有一個(gè)中央判決機(jī)構(gòu)來授權(quán)對PLB的訪問。

（3）設(shè)備控制寄存器總線（DCR）

設(shè)備控制寄存器總線（DCR）是為在CPU通用寄存器（GPRs）和DCR的從邏輯設(shè)備控制寄存器（DCRs）之間傳輸數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。

3 MicroBlaze的開發(fā)

應(yīng)用EDK（嵌入式開發(fā)套件）可以進(jìn)行MicroBlaze IP核的開發(fā)。工具包中集成了硬件平臺生產(chǎn)器、軟件平臺產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試工具等。EDK中提供一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境XPS（Xilinx平臺工作室），以便使用系統(tǒng)提供的所有工具，完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)流程。EDK中還帶有一些外設(shè)接口的IP核，如LMB、OPB總線接口、外部存儲控制器、SDRAM控制器、UART、中斷控制器、定時(shí)器等。利用這些資源，可以構(gòu)建一個(gè)較為完善的嵌入式微處理器系統(tǒng)。

在FPGA上設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)為5級?？稍谧畹蛯佑布Y源上開發(fā)IP核，或或已開發(fā)的IP核搭建嵌入式系統(tǒng)，這是硬件開發(fā)部件；開發(fā)IP核的設(shè)備驅(qū)動、應(yīng)用接口（API）和應(yīng)用層（算法），屬軟件開發(fā)內(nèi)容。

利用MicroBlaze構(gòu)建基本的嵌入式系統(tǒng)如圖5所示。通過標(biāo)準(zhǔn)總線接口—LMB總線和OPB總線的IP核，MicroBlaze就可以和各種外設(shè)IP核相連。

EDK中提供的IP核均有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用接口，使用者只需利用相應(yīng)的函數(shù)庫，就可以編寫自己的應(yīng)用軟件和算法程序。對于用戶自己開發(fā)的IP核，需要自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動和接口函數(shù)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4 MicroBlaze的應(yīng)用

在軟件無線電系統(tǒng)中，一般采用“微處理器+協(xié)處理器”結(jié)構(gòu)。微處理器一般使用通用DSP，主要完成系統(tǒng)通信和基帶處理等工作；協(xié)處理器用FPGA實(shí)現(xiàn)，主要完成同步和預(yù)處理等底層算法的運(yùn)算任務(wù)。在本課題中，采用的基帶處理算法比較簡單，應(yīng)用軟處理器IP核代替DSP，在一片F(xiàn)PGA內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這樣可以簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的整體性能。

本課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示，F(xiàn)PGA片上系統(tǒng)主要完成兩個(gè)任務(wù)—發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對于發(fā)送任務(wù)，F(xiàn)PGA完成硬件算法的初始化，接收串口數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在雙口SRAM中，系統(tǒng)硬件算法部分對雙口SRAM中數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶處理，并將結(jié)果送給D/A轉(zhuǎn)換器。對于接收任務(wù)，F(xiàn)PGA接收A/D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行基帶處理，并將數(shù)據(jù)存儲在雙口SRAM中，把存儲在雙口SRAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送回主機(jī)。

在EDK開發(fā)套件的XPS集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。在其界面環(huán)境下，添加IP核，進(jìn)行系統(tǒng)連接和各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。由于系統(tǒng)中包含的硬件算法模塊不是標(biāo)準(zhǔn)模塊，因此工程需要設(shè)置成子模塊方式，利用平臺產(chǎn)生器，根據(jù)硬件描述文件（.MHS文件），生成嵌入式系統(tǒng)子模塊的網(wǎng)表文件（.NGC）。然后在ISE設(shè)計(jì)環(huán)境下，從外部通過GPIO端口與硬件算法模塊相連，從而構(gòu)成整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件模型。

    在EDK中，每一個(gè)外設(shè)IP模塊都有自己的軟件函數(shù)庫。利用Libgen工具，將所需外設(shè)函數(shù)數(shù)庫的頭文件添加進(jìn)工程中，通過調(diào)用這些函數(shù)可以操作和控制這些外設(shè)。例如對串口的操作如下：

//初始化串口，設(shè)置波特率等參數(shù)，清空發(fā)送和接收緩沖，禁止中斷；

XuartLite_Initialize(&UART，XPAR_MYUARTLITE_DEVICE_ID);

//發(fā)送接收數(shù)據(jù)

XuartLite_Send(&UART,&send_data,1);XUartLite_Recv(&UART,&recv_data,1);

使用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，編寫相應(yīng)的算法軟件，完成系統(tǒng)功能。軟件流程如圖9所示。

將編寫的程序代碼利用mb-gcc編譯工具，根據(jù)系統(tǒng)的軟件一并，生成.ELF文件。在編譯鏈接之前，若選擇調(diào)試方式，就會在生成文件中加入調(diào)試接口SMDstub，進(jìn)行程序的硬件調(diào)試。

利用系統(tǒng)的硬件模型以及RAM塊的組織結(jié)構(gòu)文件、ELF文件和用戶結(jié)束文件，應(yīng)用FPGA綜合實(shí)現(xiàn)工具（如Xilinx XST）進(jìn)行綜合，然后下載生成的配置BIT文件

到目標(biāo)板上。利用EDK中提供的GDB調(diào)試工具可以進(jìn)行程序調(diào)試。有兩種調(diào)試方法：軟件仿真和硬件調(diào)試。軟件仿真可以進(jìn)行程序的功能調(diào)試，在開發(fā)工具內(nèi)部就可以進(jìn)行，不需要硬件支持。硬件調(diào)試就是通過JTAG接口或串口（可在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇），連接到目標(biāo)板上的應(yīng)用系統(tǒng)中的XMD調(diào)試接口，將軟件程序下載到系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試。本課題使用的目標(biāo)板上的主芯片為Xilinx Spartan IIE 30萬門的FPGA，系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz。實(shí)際運(yùn)行完全滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

采用FPGA和MicroBlaze進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多片專用芯片的功能，大大縮小了接收機(jī)體積，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。捕獲及跳頻同步等算法采用硬件實(shí)現(xiàn)，加快了捕獲跟蹤速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)PGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確可行的。如果在系統(tǒng)中配置大容量的SDRAM，加入以太網(wǎng)或USB等高速通信接口，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行于處理器上，就可以構(gòu)建一個(gè)較為完善的，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)。這將在網(wǎng)絡(luò)、通信、消費(fèi)類產(chǎn)品等多方面有著廣闊的應(yīng)用前景。