基于LEON3處理器和Speed協(xié)處理器的復(fù)雜SoC設(shè)計

　　前言

　　隨著科技的發(fā)展，信號處理系統(tǒng)不僅要求多功能、高性能，而且要求信號處理系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)周期短，可編程式專用處理器無疑是實現(xiàn)此目的的最好途徑?？删幊虒Ｓ锰幚砥骺煞譃樗神詈鲜?協(xié)處理器方式，即MCU+協(xié)處理器)和緊耦合式(專用指令方式，即ASIP)，前者較后者易于實現(xiàn)，應(yīng)用較廣。本文就是介紹一款松耦合式可編程專用復(fù)雜SoC設(shè)計實現(xiàn)，選用LEON3處理器作為MCU，Speed處理器作為Coprocessor。

　　LEON3及Speed

　　LEON3是由歐洲航天總局旗下的Gaisler Research開發(fā)、維護(hù)，目的是擺脫歐空局對美國航天級處理器的依賴。目前LEON3有三個版本(如表1)，其中LEON3FT(LEON3 Fault-tolerant)只有歐空局內(nèi)部成員可以使用。LEON3 (basic version)是遵循GNC GPL License的開源處理器，和SPARC V8兼容，采用7級Pipeline，硬件實現(xiàn)乘法、除法和乘累加功能，詳細(xì)特性請參考相關(guān)技術(shù)文檔[1]。

表1 LEON3的不同版本

　　目前，LEON3處理器因為開源、高性能、采用AMBA總線易擴展及軟件工具完備等因素，在國內(nèi)外大學(xué)(如UCB、UCLA、Princeton University等)及科研院所的科研活動中得到廣泛應(yīng)用。

　　Speed(又名GA3816)是一款我國自主研發(fā)、處于同時代國際先進(jìn)水平、可重構(gòu)、可擴展的面向FFT、IFFT、FIR及匹配濾波應(yīng)用的信號處理器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點[2~4]：

　　1)Speed在追求運算速度的同時兼顧通用性，通過設(shè)置64位控制字，器件內(nèi)部資源可根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行重組;

　　2)可以實現(xiàn)FFT、IFFT、FFT-IFFT、FIR、滑窗卷積等運算，峰值運算能力達(dá)256億次浮點乘累加/秒;

　　3)由160個實數(shù)浮點乘法累加運算器組成40個復(fù)數(shù)乘法累加器陣列，1Mbit的雙口SRAM，8個512×32bit系數(shù)ROM，兩個直角到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路，兩個對數(shù)變換電路及其它輔助電路和控制電路。

圖1 Speed的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

　　Speed傳統(tǒng)的工作方式是通過片外FPGA輸入控制信號和待處理數(shù)據(jù)，這不僅增大了PCB板級布線、調(diào)試的工作量，而且FPGA不能用C等高級語言編程，算法改動起來不靈活。另一方面，隨著半導(dǎo)體工藝、微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模的復(fù)雜SoC實現(xiàn)技術(shù)逐漸成熟，因此有必要將板級FPGA + Speed改進(jìn)為芯片級MCU + Speed，這樣既能實現(xiàn)真正的可編程增大靈活性，又能加快用戶開發(fā)信號處理系統(tǒng)的速度。

　　利用AHB實現(xiàn)通信

　　為了實現(xiàn)可編程，需要將C/C++程序表達(dá)的信息經(jīng)過編譯器、LEON3處理器、AHB總線、DMA控制器和必要的HDL代碼，轉(zhuǎn)化成Speed能夠識別的信息，進(jìn)入Speed模塊中，如圖2。其中AHB總線是LEON3 Core和Speed Core結(jié)合的關(guān)鍵。

圖2 實現(xiàn)軟件可編程的過程

　　AHB總線及AHB控制器

　　AMBA總線是一種應(yīng)用廣泛的層次化總線結(jié)構(gòu)，有高速的AHB和低速APB之分，其中AHB是一種流水式高速總線結(jié)構(gòu)，地址和數(shù)據(jù)總線相互獨立，可掛載16個Master和Slaver設(shè)備，常用來組織和連接高性能模塊，如處理器、DMA控制器、協(xié)處理器等[5~7]。AHB總線的核心是AHB控制器，主要包括仲裁器，譯碼器和多路復(fù)用器，其中仲裁器選擇AHB Master，而譯碼器選擇AHB Slave，實現(xiàn)寫數(shù)據(jù)WDATA和讀數(shù)據(jù)RDATA分開，如圖3所示。

　　DMA控制器

　　DMA是指設(shè)備直接對計算機存儲器進(jìn)行讀寫操作的方式。這種方式下數(shù)據(jù)的讀寫無需CPU執(zhí)行指令，也不經(jīng)過CPU內(nèi)部寄存器，而是利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接在源地址和目的地址之間傳送數(shù)據(jù)，達(dá)到極高的傳輸速率。DMA控制器一方面可以接管總線，即可以像CPU一樣視為總線的主設(shè)備，這是DMA與其它外設(shè)最根本的區(qū)別;另一方面，作為一個I/O器件，其DMA控制功能正式通過初始化編程來設(shè)置。當(dāng)CPU對其寫入或讀出時，它又和其它的外設(shè)一樣成為總線的從屬設(shè)備。

　　本文中為了實現(xiàn)DMA和AHB密切配合，即啟動DMA后大量原始數(shù)據(jù)通過AHB總線從數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)入Speed模塊，需要DMA控制器內(nèi)部包含AHB Master模塊，如圖4所示。另外需要說明的是，LEON3為了實現(xiàn)AHB上設(shè)備的plug&play需要在0xFFFFF000-0xFFFFF800地址空間添加設(shè)備信息[8~9]，所以DMA 控制器和Speed協(xié)處理器亦要如此，以便LEON3的軟硬件協(xié)調(diào)一致。在C語言實現(xiàn)DMA時，向DMA的控制寄存器寫入相應(yīng)的信息，即可啟動DMA傳輸，如圖5所示。

圖5 啟動DMA的C代碼示意

　　Speed的AHB接口

　　為了使Speed可以順利接收LEON3傳送過來的控制字或DMA傳送過來的原始數(shù)據(jù)，需要在原有的Speed core模塊頂層添加AHB Slaver協(xié)議來接收AHB上傳送的數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)生相應(yīng)波形的HDL代碼來將C程序的信息生成Speed所能識別的信號波形進(jìn)入Speed模塊內(nèi)部，即從圖6中的控制字，轉(zhuǎn)化成圖7中的時序。

圖6 C語言描述的Speed控制字

圖7 Speed core所需的配置時序

　　同理于控制字，濾波系數(shù)和原始數(shù)據(jù)的輸入亦需要一定的HDL代碼來實現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)向時序圖的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)相當(dāng)于譯碼，實現(xiàn)起來難度不大，此處就不再累述。Speed處理后數(shù)據(jù)通過狀態(tài)信號(zero_flag)下降沿觸發(fā)LEON3的中斷響應(yīng)，實現(xiàn)向外部存儲器的輸出，此過程和數(shù)據(jù)輸入類似。

　　編程、編譯及仿真

　　用戶在C編程時，只需要按照Speed所需的啟動方式，先設(shè)置控制字、再輸入濾波系數(shù)、然后啟動DMA輸入原始數(shù)據(jù)。值得注意的地方是，為了實現(xiàn)Speed的運算與DMA中原始數(shù)據(jù)輸入同步，需要在C代碼的不同指令間插入一定的延遲指令，此延遲間隔可根據(jù)軟硬件的響應(yīng)速度來計算。

　　Gaisler Research公司提供完整的LEON3開發(fā)套件，包括C代碼編譯器sparc-elf-gcc，大大方便了軟硬件開發(fā)和聯(lián)合調(diào)試。 將LEON3和Speed的SoC硬件HDL描述，及編譯后的二進(jìn)制指令調(diào)入Modelsim進(jìn)行軟件仿真，再利用FPGA進(jìn)行硬件仿真，其結(jié)果如圖8、9、10所示。

圖8 從C語言控制字產(chǎn)生的配置時序

圖9 觸發(fā)中斷響應(yīng)的zero_flag信號

圖10 在Altera StratixII 2S180中的仿真結(jié)果

　　結(jié)語

　　本項目利用LEON3的高性能、易編程、開源等優(yōu)點，開發(fā)了AHB總線接口和DMA控制器，實現(xiàn)了Speed專用信號處理器的軟件可編程，大大簡化了Speed用戶的開發(fā)過程。有待改進(jìn)之處是，1)當(dāng)前Speed可處理40bit數(shù)據(jù)，而Leon3是32bit，沒有最大限度發(fā)揮Speed的運算能力;2)如果在LEON3上運行RTEMS (Real Time Executive for Multiprocessor Systems) 操作系統(tǒng)，將進(jìn)一步方便用戶擴展LEON3的利用價值。