FSL總線IP核及其在MicoBlaze系統(tǒng)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞 FPGA IP核 FSL總線 軟核處理器 MicroBlage
引 言
隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，以FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)為代表的新一代可編程邏輯器件(PLD)的邏輯資源密度不斷增加，使得可編程技術(shù)很自然地就與系統(tǒng)芯片集成技術(shù)(SoC)的結(jié)合日益緊密，并逐步成為可配置平臺技術(shù)(configurable platform)的主流。
目前，各主要PLD廠商基于FPGA的可配置平臺雖然大都采用“微處理器十可編程邏輯”的架構(gòu)，但在開發(fā)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)時，卻采用了各自不同的方式來整合處理器系統(tǒng)與片上的其他邏輯資源(大多數(shù)以用戶IP核形式出現(xiàn))。MicroBlaze軟核處理器是Xilinx公司為其FPGA器件開發(fā)的，其特有的FSL(Fast Simplex Link，快速單向鏈路)總線，可以實(shí)現(xiàn)用戶IP核與軟核處理器的高速連接，為設(shè)計(jì)者提供了一條解決這類問題的途徑。
1 MicroBlaze軟核處理器
1.1 概 述
MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器軟IP核。它采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個32位寬度的通用寄存器；在150 MHz的時鐘頻率下，最高可達(dá)到125 DMIPS的處理性能，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中省略了指令側(cè)的同類接口)。使用Xilinx公司提供的EDK(嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件)，可以在參數(shù)化的圖形界面下方便地完成嵌入式軟處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其突出的優(yōu)點(diǎn)，一是設(shè)計(jì)靈活性；二是可以整合用戶自定義IP核，使得算法可以在硬件中并行地執(zhí)行而不是在軟件中串行執(zhí)行，從而極大地加速軟件的執(zhí)行速度，即所謂的硬件加速。
1.2 MicroBlaze軟核總線接口
MicroBlaze軟處理器核具有豐富的接口資源。目前，最新版本的MicroBlaze軟核支持的接口標(biāo)準(zhǔn)有：
◆帶字節(jié)允許的OPB(On-chip Peripheral Bus，片上外設(shè)總線)V2.0接口；
◆高速的LMB(Local Memory Bus，本地存儲器總線)接口；
◆FSL 主從設(shè)備接口；
◆XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx緩存鏈路)接口；
◆與MDM(微處理器調(diào)試模塊)連接的調(diào)試接口。
OPB是對IBM Core Connect片上總線標(biāo)準(zhǔn)的部分實(shí)現(xiàn)，適用于將IP核作為外設(shè)連接到MicroBlaze系統(tǒng)中。LMB用于實(shí)現(xiàn)對片上的blockRAM的高速訪問。FSL是MicroBlaze軟核特有的一個基于FIFO的單向鏈路，可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義IP核與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的直接相連；而XCL則是MicroBlaze軟核新增加的，用于實(shí)現(xiàn)對片外存儲器的高速訪問。MicroBlaze軟核還有專門的調(diào)試接口，通過參數(shù)設(shè)置，開發(fā)人員可以只使用特定應(yīng)用所需要的處理器特性。
1.3 MicroBIaze系統(tǒng)的硬件加速
將用戶IP核整合到基于MicroBlaze的嵌入式軟核處理器系統(tǒng)中，通常有兩種方法：一種方法是將IP核連接到OPB總線；第二種方法就是將用戶IP連接到MicroBlaze專用的FSL總線上。OPB與FSL比較如表1所列。
注：①數(shù)據(jù)分別來自opb_v20和FSL_v20數(shù)據(jù)手冊；
②該數(shù)據(jù)是在總線配置為1主2從情況下得到的；
③該數(shù)據(jù)對MicroBlaze軟核而言。
從表1可見，盡管OPB和FSL都是MicroBlaze軟核與FPGA其他片上邏輯資源連接的主要途徑，但其特點(diǎn)決定了分工是不同的：OPB總線適用于將低速和低性能要求的設(shè)備連接到MicroBlaze系統(tǒng)中；而FSL總線則適用于將時間要求高的用戶自定義IP核整合到基于MicroBlaze的軟核系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)硬件加速。
2 FSL總線
2.1 FSL總線接口
FSL總線是一個基于FIFO的單向點(diǎn)對點(diǎn)通信總線，主要用于FPGA的兩個模塊問進(jìn)行快速的通信。FSL總線IP核結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)SL接口的I/O信號如表2所列。
該接口的主要特點(diǎn)：
◆單向的點(diǎn)對點(diǎn)通信；
◆非共享的無仲裁通信機(jī)制；
◆支持控制位與數(shù)據(jù)分離的通信；
◆基于FIFO的通信模式；
◆可配置的數(shù)據(jù)寬度；
◆高速的通信性能(獨(dú)立運(yùn)行達(dá)到600 MHz)。
2.2 FSL總線的寫操作時序
對FSL總線的寫操作是由FSL_M_Write信號控制的。圖3是FSL總線的寫操作時序。FSL主設(shè)備在第一個時鐘上升沿檢查到FSL_M_Full信號未置高，就允許主設(shè)備將FSL_M_Write置高，并將FSL_M_Data和FSL_M_Control推上總線，在下一個時鐘周期這些數(shù)據(jù)就被總線讀取并送入FIFO了。圖中的Write2和Write3是一組“背靠背”的連續(xù)寫操作。在Write3時，F(xiàn)IFO滿使得FSL_M_Full信號被置高，迫使主設(shè)備取消自己的FSL_M_Write信號，直到一次讀操作將FSL_M_Full置低后，才可以發(fā)起另一次寫操作。因此，圖中暗示著在Write4處也發(fā)生了一次從設(shè)備的讀操作，否則FSL_M_Full將再次置高。
2.3 FSL總線讀操作時序
對FSL總線的讀操作是由FSL_S_Read信號控制的，圖4是FSL從設(shè)備的3次讀操作時序。當(dāng)FSL總線上存在有效數(shù)據(jù)(FSL_S_Exists=‘1’)，F(xiàn)SL_M_Data上的數(shù)據(jù)和FSL_M_Control上的控制位就立即可以被FSL從設(shè)備讀取。一旦從設(shè)備完成讀操作，F(xiàn)SL_S_Read信號必須置高一個時鐘周期，以確認(rèn)從設(shè)備成功完成了一次讀操作。在讀操作發(fā)生后的時鐘上升沿(圖中Read2處)，F(xiàn)SL_M_Data和FSL_M_Control會被更新為新數(shù)據(jù)，同時FSL_S_Exists和FSL_M_Full信號也會被更新。同樣，這里暗示著在Readl和Read2之間發(fā)生了兩次主設(shè)備的寫操作。
3 FSL總線用法
3.1 使用FSL總線IP核的設(shè)備間通信
目前Xilinx提供的FSL總線IP核的版本是FSL_V20。兩個設(shè)備要使用FSL進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就必須分別作為主設(shè)備或從設(shè)備連接到FSL核上。如果需要進(jìn)行雙向的傳輸，只要兩個設(shè)備分別作為主從設(shè)備，使用兩個FSL核連接即可。
無論是作為主設(shè)備或是從設(shè)備，都需要通過在設(shè)備的微處理器外設(shè)描述文件(MPD)中進(jìn)行相應(yīng)的定義，以實(shí)現(xiàn)所需類型的FSL接口。下面這段代碼就是一個分別定義了FSL主設(shè)備接口FSL_OUT和從設(shè)備接口FSL_IN的MPD文件：
BEGIN my_fsl_peripheral
OPTl0N IPTYPE=PERIPHERAL
OPTl0N IMP_NETLIST=TRUE
BUS_INTERFACE BUS=FSL_IN，BUS_STD=FSL，BUS TYPE=SLAVE
BUS_INTERFACE BUS=FSL_OUT，BUS_STD=FSL，BUS_TYPE=MASTER
##Ports
PORT CLK=””，DIR=IN，SIGIS=CLK
PORT RESET=””。DIR=IN
PORT FSL_S_READ=FSL_S_Read，DIR=out，BUS=FSL_IN
PORT FSL_S_DATA=FSL_S_Data，DIR=in，VEC=[o:31]，BUS=FSL_IN
PORT FSL_S_CONTROL=FSL_S_Control，DIR=in， BUS=FSL_IN
PORT FSL_s_EXISTS=FSL_S_Exists，DIR=in，BUS=FSL_IN
PORT FSL_M_WRITE=FSL_M_Write，DIR=out，BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_DATA=FSL_M_Data，DIR=out，VEC=[o:31]，BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_CONTROL=FSL_M_Control，DIR=out， BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_FULL=FSL_M_Full，DIR=in，BUS=FSL_OUT
3.2 通過FSL與MicroBlaze通信
MicroBlaze軟核的FSL總線接口支持最多8對FSL連接，具體實(shí)現(xiàn)多少接口由系統(tǒng)硬件描述文件(MHS)中的參數(shù)C_FSL_LINKS決定。默認(rèn)情況下該參數(shù)為0，表示不實(shí)現(xiàn)FSL接口。當(dāng)需要使用FSL總線把MicroBlaze和FPGA中的一個或多個邏輯模塊連接起來時，必須設(shè)置該參數(shù)的值為相應(yīng)的模塊數(shù)。該參數(shù)的取值范圍是0～8。
在MicroBlaze指令集中還有針對FSL總線操作的指令，它們分別是：
◆get，put——阻塞式數(shù)據(jù)讀寫FSL，控制信號被置為0；
◆nget，nput——非阻塞式數(shù)據(jù)讀寫FSL，控制信號被置為0；
◆cget，cput——阻塞式控制位讀寫FSL，控制信號被置為1；
◆ncget，ncput——非阻塞式控制位讀寫FSL，控制信號被置為1。
4 FSL總線應(yīng)用實(shí)例
在下面的實(shí)例中，嘗試通過FSL總線技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)特定函數(shù)功能的用戶自定義IP核整合到MicroBlaze軟核系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)硬件加速的目的。這里以一個矢量漢字(vector font)還原功能的硬件模塊的整合為例，說明FSL總線的應(yīng)用過程。所使用的開發(fā)平臺是Memec Insight公司生產(chǎn)的Virtex—II系列的MicroBlaze開發(fā)板，板上采用的FPGA器件為Virtex—II 1000，系統(tǒng)時鐘為100 MHz，開發(fā)工具為Xilinx公司的EDK 6.3及ISE 6.3。
4.1 FSL總線應(yīng)用方案
如圖5所示，vectOr_font核通過FSL_Code-與FSL_Lattice兩條FSL總線與MicroBlaze軟核直接相連。
對于FSL_Code總線，MicroBlaze核是主設(shè)備，而vector_font核是從設(shè)備。這樣MicroBlaze可以通過FSL_Code總線向vectOr_font核發(fā)送漢字的區(qū)位碼(或者其他格式的漢字編碼，由使用的矢量字庫和還原算法決定)以及漢字的屬性信息(如字體、大小等)。
對于FSL_Lattice總線則正好相反。vector font 核作為主設(shè)備可以通過它向MicroBlaze核發(fā)送經(jīng)過還原處理后的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)以及漢字點(diǎn)陣尺寸信息(用于將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)在顯存中組織成正確的顯示格式)。
4.2 數(shù)據(jù)傳輸指令與控制位指令的應(yīng)用
FSL 提供的獨(dú)立于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂莆豢梢杂脕韺φ趥鬏斨械臄?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。為了區(qū)分區(qū)位碼數(shù)據(jù)與漢字屬性數(shù)據(jù)，以及點(diǎn)陣數(shù)據(jù)與漢字點(diǎn)陣尺寸數(shù)據(jù)。MicroBlaze分別通過FSL的數(shù)據(jù)傳輸指令和控制位傳輸指令來發(fā)送漢字的區(qū)位碼和漢字屬性信息，接收點(diǎn)陣數(shù)據(jù)和漢字點(diǎn)陣尺寸信息。對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
//使用非阻塞的數(shù)據(jù)寫函數(shù)向FSL總線寫入漢字區(qū)位碼Microblaze_nbwrite_datatsl(code,O)
//使用非阻塞的控制位寫函數(shù)向FSL總線寫入漢字屬性信息maicroblaze_cnbwrite_cnlfsl(attibute，O)
//使用非阻塞的數(shù)據(jù)讀函數(shù)從FSL總線讀取漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)microblaze_nbread_datafsl(1attice[i]，O)
//使用非阻塞的控制位讀函數(shù)從FSL總線讀取漢字點(diǎn)陣尺寸信息microblaze_cnbread_cnlfsl(size，O)
代碼中用到的與FSL有關(guān)函數(shù)的定義，都在include目錄下的mb_interface．h文件中。其中，各函數(shù)的第二個參數(shù)代表進(jìn)行讀寫操作的FSL總線接口的編號，對應(yīng)Mi—croBlaze軟核的8對FSL接口。該參數(shù)的取值范圍從0到7。本例中,MicroBlaze只使用了一對FSL接口，故而值為0。
4.3 實(shí)現(xiàn)步驟
首先，在Base System Wizard中設(shè)計(jì)圖5虛線框中所示的一個簡單的MicroBlaze嵌入式處理器系統(tǒng)。然后，在XPS集成開發(fā)環(huán)境下完成用戶自定義IP核(本例中即vectoz__font核)的添加、Microblaze核FSL接口的添加(設(shè)置參數(shù)C_FSL_LINKS=1)，同時添加兩個FSL總線IP核，分別用于實(shí)現(xiàn)FSL_Code和FSL_Lattice總線。另外，將兩個FSL總線IP核的參數(shù)C_USE_CONTROL置為1，以打開FSL總線的控制位傳輸功能。所有這些改動，最后都會被更新到MES文件中。這樣，硬件平臺生成工具platgen就可以根據(jù)它生成所需要的FPGA配置文件了。
硬件的實(shí)現(xiàn)完成后，進(jìn)行相應(yīng)軟件參數(shù)的設(shè)置，如將系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備指向UART模塊等。然后，用庫生成工具libgen，根據(jù)MSS(系統(tǒng)軟件描述文件)文件，將所需外設(shè)函數(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)。通過Tool項(xiàng)里的build命令，調(diào)用mb—gcc：編譯工具，將編寫的應(yīng)用程序編譯成ELF文件，再用updatebitstrcam命令將程序代碼對應(yīng)的RAM初始化數(shù)據(jù)添加到前面生成的FPGA配置文件中，生成最終的bit配置文件。最后，使用download命令將bit文件下載到目標(biāo)板中。
以上就是整個FSL應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程。本例只是為了說明FSL總線的使用。實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)具體情況通過FSL，將更多的用戶自定義IP核(如DCT、FFT等)添加到．MicroBlaze軟核系統(tǒng)中去。
結(jié) 語
在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，人們一直希望能夠有一個滿足自己需要的“定制”的嵌入式處理器，而不是手頭大量存在的通用微處理器。但是，直接將用戶自定義IP核添加到處理器核中，不僅受到處理器原架構(gòu)的束縛，還有可能降低處理器的性能(處理器工作頻率)；而通過與內(nèi)部寄存器直接相連的FSL接口，用戶自定義IP可以在不破壞處理器原有結(jié)構(gòu)的情況下，緊密地與MicroB- laze軟核結(jié)合在一起。這樣，即使關(guān)鍵路徑覆蓋了用戶IP 核，由于它在處理器內(nèi)核之外，也不會導(dǎo)致處理器時鐘頻率的降低。
通過對FSL總線的分析以及上述實(shí)例的驗(yàn)證，證明了在基于MicroBlaze的SoC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一方面可以針 對具體應(yīng)用進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計(jì)；另一方面，利用其專用的FSL總線接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)嵌入式軟處理器系統(tǒng)與用戶自定義邏輯的整合，從而在不提高系統(tǒng)主頻的前提下，通過部分函數(shù)功能的硬件實(shí)現(xiàn)來提升系統(tǒng)的性能。
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