基于LEON微處理器的SOC原型平臺設(shè)計(jì)

隨著IC制造工藝水平的快速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）在ASIC設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。微處理器IP核是SOC片上系統(tǒng)的核心部分。但是大多數(shù)公司和研究機(jī)構(gòu)沒有足夠的財(cái)力與人力開發(fā)自己的處理器，所以業(yè)界比較流行的做法就是購買微處理器的IP核，例如ARM核或MIPS核,但需要數(shù)十萬美金的許可證費(fèi)用的投入。

　　 除了昂貴的ARM核與MIPS核以外，我們還有另外一種選擇，就是選擇開放源代碼的微處理器的IP核。目前可以實(shí)際使用的開放源代碼處理器有LEON系列與OPENRISC系列兩種。本文就介紹了LEON2微處理器核，快速的建立起一個(gè)SOC的平臺的原型對于驗(yàn)證系統(tǒng)性能與加快軟件開發(fā)都是相當(dāng)重要的。本文還詳細(xì)闡述了如何在Altera的FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2微處理器的SOC原型平臺。

　　1 LEON2微處理器

　　LEON處理器系列是歐洲航天局的下屬的研究所開發(fā)的32位微處理器，應(yīng)用在航天局的各種ASIC芯片內(nèi)。目前有LEON2，LEON3系列。LEON系列處理器是一個(gè)可配置，可綜合適于在SOC設(shè)計(jì)中應(yīng)用的微處理器核。LEON2處理器是一個(gè)使用SPARC V8指令集的32位的RISC處理器，它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構(gòu)成。同時(shí)LEON2的性能也很不錯(cuò)，使用Dhrystone2.1的測試平臺，LEON可以達(dá)到大約0.85MIPS/MHz。更大的好處是LEON處理器是一個(gè)公開源代碼，遵循GNU LGPL協(xié)議。任何人都可以其網(wǎng)站上免費(fèi)下載其硬件代碼和各種開發(fā)軟件工具與相關(guān)文檔。并且在自己ASIC項(xiàng)目中使用。

       LENO2的處理器具有以下的特點(diǎn):

       內(nèi)部使用了5級流水線，兼容SPARC V8指令集。

       具有硬件乘法，除法和MAC的功能。

       具有分開的指令和數(shù)據(jù)cache結(jié)構(gòu)（哈佛結(jié)構(gòu)），可以根據(jù)需求靈活的配置cache的容量，大小范圍是1－64kbyte。

       片上總線規(guī)范使用了AMBA2.0規(guī)范，支持APB,和AHB標(biāo)準(zhǔn)。

       具備一些片上常用外設(shè)，包括UART，中斷控制，I/O端口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘,看門狗等。

       支持硬件調(diào)試功能。

圖1是LEON2的結(jié)構(gòu)框圖，虛線部分內(nèi)是LEON2處理器的組成部分。

　　                           圖1  LEON處理器的結(jié)構(gòu)框圖

　　   從上面的介紹可以看出，LEON2的性能相當(dāng)不錯(cuò)，但是作為一個(gè)處理器，除了本身的性能以外，同時(shí)還必須要有高效的編譯器軟件開發(fā)環(huán)境，各種應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)的支持。ARM和MIPS在嵌入式的廣泛應(yīng)用，與其背后的高效的軟件編譯開發(fā)工具，以及眾多支持ARM和MIPS的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件有很大關(guān)系。很多公司選擇ARM或MIPS，不僅看重微處理器的性能，更大的方面是看重其背后的軟件支持環(huán)境。雖然LEON系列在這一點(diǎn)上不如商用微處理器，但是也是相當(dāng)不錯(cuò)了。和硬件代碼一起，可以下載LECCS，一個(gè)基于GCC的免費(fèi)的C/C++的交叉編譯系統(tǒng)，同時(shí)也可以使用GDB調(diào)試工具做源代碼級別的調(diào)試。開源社區(qū)還提供免費(fèi)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTEMS,UClinux,eCos等免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。上述實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都已在LEON2處理器上移植成功了。

　　 由于LEON2處理器的源代碼是公開的，任何人都可以免費(fèi)得到和使用。很多研究機(jī)構(gòu)和公司沒有自己的處理器的核，如果去開發(fā)，需要大量的人力物力支持，而且附帶的各種軟件編譯器的開發(fā)也需要大量的工作，對于中小型的公司或研究院很難做到。如果通過購買ARM或者M(jìn)IPS的核，通常都需要幾十萬美金的許可證的費(fèi)用，同時(shí)以后的產(chǎn)品也必須要付一定的費(fèi)用。而LEON系列處理器就給了這些公司和研究機(jī)構(gòu)另外的一種選擇。雖然在功耗和性能上同常用的ARM,MIPS等處理器還有些不足，但是完全可以使用。LEON處理器是經(jīng)過了多個(gè)ASIC芯片流片成功的實(shí)踐檢驗(yàn)。目前基于LEON系列的ASIC芯片也有幾十個(gè)項(xiàng)目。

       2 在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2的SOC原型平臺

　　隨著片上系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，為了克服片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體業(yè)界正在采取一種基于系統(tǒng)原型的平臺設(shè)計(jì)方法。這種方法就是通過將片上系統(tǒng)映射到FPGA，這樣可以在接近運(yùn)行速度的前提下，驗(yàn)證硬件和軟件。這樣不僅給為軟件部分能盡早的進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試工作提供了一個(gè)原型，同時(shí)也可以在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)一些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒有注意的地方。這樣最終可以縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)為ASIC設(shè)計(jì)一次成功提供了更大的把握。

　　 在我們的設(shè)計(jì)中，為了上述的目的，所以決定在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2處理器的SOC平臺。使用這個(gè)原型系統(tǒng)，就可以很容易驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，并且加速軟件開發(fā)調(diào)試流程。圖2 就是我們的一個(gè)基于LEON2的平臺的模塊框圖。LEON2處理器作為核心部分，片內(nèi)ROM存放monitor負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和將程序拷貝到片外SRAM內(nèi)的任務(wù)，片外RAM是FPGA開發(fā)板上memory，用來存放程序和數(shù)據(jù)。我們自己設(shè)計(jì)的IP核通過AHB總線和LEON2相互交互。

　　  FPGA開發(fā)板是Altera公司的FPGA開發(fā)板NIOS。板上主要有以下資源，一塊APEX20KE的FPGA，256K字節(jié)的RAM(2個(gè)64K*16bit的片子)，JTAG接口（通過JTAG接口我們可以從PC機(jī)上對APEX20KE進(jìn)行編程），串行口和計(jì)算機(jī)的COM1口相連。APEX20KE是Altera公司的可編程邏輯器件，標(biāo)準(zhǔn)門數(shù)為20萬門左右，片上可配置RAM或ROM為10K。

　　開發(fā)流程如圖3開發(fā)流程圖。

       硬件流程: LEON2軟核用VHDL代碼編寫的，和我們的VHDL設(shè)計(jì)文件一起使用Synplify綜合工具生成FPGA的網(wǎng)表文件，然后使用Altera公司的布局布線和下載的工具Quartus生成相應(yīng)的SOF文件。通過JTAG端口將SOF文件下載到片子上去。對FPGA硬件進(jìn)行配置。由于Quartus軟件可以預(yù)先配置APEX20KE片上ROM，所以我們可以利用這一點(diǎn)，在LEON2的片上ROM預(yù)先配置好1K大小的Monitor軟件。

       軟件開發(fā)流程,當(dāng)軟件代碼完成以后，使用LEON2的基于GCC的LECCS交叉編譯系統(tǒng)對C代碼編譯，得到二進(jìn)制代碼以后，就可以通過串行口下載到FPGA開發(fā)板上。

       3 軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　在LEON的開發(fā)網(wǎng)站上可以下載VHDL代碼， LEON2是一個(gè)可配置的處理器核，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，對處理器的性能進(jìn)行權(quán)衡。例如可以將指令和數(shù)據(jù)cache進(jìn)行設(shè)置，選擇從1kbyte到64kbyte的大小。同時(shí)選擇處理器是否要支持硬件乘法器。是否要有硬件debug的功能等等。圖四是LEON2的處理器配置的界面，將各個(gè)選項(xiàng)部分配置完畢，系統(tǒng)生成對應(yīng)的VHDL代碼。

                    圖四   LEON2處理器的配置

　　在最終的設(shè)計(jì)中，選取了指令和數(shù)據(jù)cache分別是1kbyte，不帶有硬件乘法功能的模塊。得到LEON2的VHDL代碼，然后加入我們自己設(shè)計(jì)的HDL代碼，使用modelsim做簡單的功能仿真。等功能仿真通過后,使用synplify對VHDL綜合，應(yīng)用 APEX20KE器件，最終的綜合結(jié)果是：占用 FPGA資源是5800個(gè)LE，可以達(dá)到的時(shí)鐘頻率最大46M。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于APEX20KE器件是Altera公司2000年的產(chǎn)品，如果采用Altera新一代的FPGA器件,例如StratixII器件，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到107M,可以滿足大多數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　使用quartus進(jìn)行布局布線時(shí)，需要將LEON2和外圍的memory連接起來, LEON2對程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是統(tǒng)一尋址。但是在FPGA原型平臺設(shè)計(jì)時(shí)，軟件需要多次修改調(diào)試，所以不能采取將程序固化在片外flash這種做法。所以采用了圖5的結(jié)構(gòu)，LEON2核同片內(nèi)ROM和片外SRAM連接。其中ROM存放了一個(gè)monitor程序。由于這個(gè)部分是整個(gè)平臺正常工作的核心，所以下面我專門對它做詳細(xì)的解釋。

　　  　　                               圖 5 LEON2與存儲(chǔ)器的連接

　　LEON2的平臺中有兩個(gè)memory，分別是片內(nèi)ROM，片外SRAM,LEON2對存儲(chǔ)器是統(tǒng)一尋址的。分配如下：

       Monitor的主要作用是在LEON2系統(tǒng)reset初始化的時(shí)候首先對處理器初始化，對LEON2的存儲(chǔ)配置寄存器進(jìn)行配置。然后向UART口發(fā)送啟動(dòng)信息，然后等待從UART信息。當(dāng)軟件部分使用交叉編譯器LECCS在PC上編譯完畢后， PC機(jī)通過UART口和FPGA開發(fā)板相互通信，就可以將編譯好的srec文件下載到FPGA開發(fā)板上去,放置在片內(nèi)rom里面的monitor程序就讀入程序的內(nèi)容以及程序的起始地址。起先monitor將srec程序拷貝到SRAM程序區(qū)，等全部程序下載好以后， monitor最后一條程序就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到程序的起始位置，執(zhí)行SRAM里的程序。

　　使用圖5的連接。由于data_to_leon[31:0]的數(shù)據(jù)線是單向的，我們使用多路復(fù)用器來選擇從外部SRAM的數(shù)據(jù)輸入或者內(nèi)部ROM數(shù)據(jù)輸入和data_to_leon[31:0]相互連接,使用romsn[0]來選擇。romsn[0]只有當(dāng)訪問PROM時(shí)才會(huì)置低，也就是地址為0x00000000-0x1FFFFFFF的時(shí)候。根據(jù)上面的描述只有系統(tǒng)reset初始化的時(shí)候訪問PROM，也就是romsn[0]置低，等下載的程序全部都拷貝到SRAM程序區(qū)以后，monitor會(huì)控制LEON2處理器跳轉(zhuǎn)到程序的起始位置，也就是片外的SRAM內(nèi)，這時(shí)候romsn[0]保持高電平，也就是data_to_len[31:0]于ram_datain[31:0]連接。這樣系統(tǒng)就只會(huì)接收外部SRAM的數(shù)據(jù)。

　　也就是，程序下載完畢后，就只會(huì)執(zhí)行下載的程序。這樣就可以反復(fù)修改程序，反復(fù)下載程序?？梢栽诶眠@個(gè)原型平臺開發(fā)和調(diào)試軟件硬件程序。

　　最終，在FPGA里根據(jù)上面圖5的連接將LEON2分別和片內(nèi)ROM，片外SRAM相互連接，其中片內(nèi)rom放入了前面所說的monitor的程序。使用quartus做布局布線和下載。最終在FPGA開發(fā)板上建立了LEON2的SOC原型平臺，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作在33M的時(shí)鐘下，并且由于FPGA的可多次配置的特性，極大的方便了軟件模塊和硬件模塊的開發(fā)調(diào)試工作。

　　  4 總結(jié)和題外話

　　上面的內(nèi)容論述了如何利用Altera的FPAG開發(fā)板資源，使用開放源代碼的LEON2微處理器，建立一個(gè)基于LEON2的SOC原型開發(fā)平臺。并且從軟件結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了這個(gè)平臺的建立。經(jīng)過實(shí)際使用，完全滿足要求，加快了我們的項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度。