基于Microblaze軟核的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)講解了基于Xilinx Microblaze軟核開發(fā)的整個(gè)流程，包括硬件平臺(tái)搭建、軟件平臺(tái)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)的加載以及用非易失性存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置等內(nèi)容。利用FPGA軟核進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，將得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；軟核；片上可編程系統(tǒng)；可編程邏輯門陣列

引言
    近十年來(lái)，F(xiàn)PGA行業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其在系統(tǒng)開發(fā)工作中的地位已從簡(jiǎn)單的膠合邏輯上升到了數(shù)字系統(tǒng)的核心處理器件?？删幊唐舷到y(tǒng)SOPC(Systern On Programmable Chip)將CPU核與外設(shè)核以及系統(tǒng)軟件集成到單一芯片中，幫助用戶快速“量身定制”所需要的產(chǎn)品，創(chuàng)造性地為用戶提供了基于FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)方案。
    Xilinx公司作為FPGA嵌入式軟核解決方案商，在其所有系列的FPGA中提供了Microblaze 32位軟核處理器，并推出了用于嵌入式系統(tǒng)編程的EDK(Embedded Development Kit)集成開發(fā)解決方案。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)講解了基于Microblaze軟核開發(fā)的整個(gè)流程，包括硬件平臺(tái)開發(fā)、軟件平臺(tái)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)的加載以及用非易失性存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置等內(nèi)容。

1 Microblaze的體系結(jié)構(gòu)
    Microblaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，在時(shí)鐘頻率為150 MHz的情況下可以達(dá)到125 DMIPS的性能，該處理器(版本7．30)具有以下一些特征：
    ①32個(gè)32位通用寄存器和最多18個(gè)專用寄存器；
    ②32位指令系統(tǒng)，支持3個(gè)操作數(shù)和2種尋址方式；
    ③分離的32位指令和數(shù)據(jù)總線；
    ④通過(guò)本地存儲(chǔ)器總線LMB直接訪問(wèn)片內(nèi)的塊存儲(chǔ)器BRAM；
    ⑤具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存Cache，5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；
    ⑥自帶硬件調(diào)試模塊MIDM；
    ⑦帶有8個(gè)主／從快速單工鏈路接口。
    圖1給出了Microblaze的內(nèi)部功能塊圖。

    從圖1可以看出，Microblaze軟核與其他專用集成芯片的硬CPU核在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有大的差別，但它卻可以通過(guò)PLB總線(Processor Local Bus )與EDK軟件包將自帶的各種軟外設(shè)進(jìn)行按需連接，并且支持用戶自定義IP通過(guò)PLB總線(Microblaze從7．30版本開始取消了原有的OPB總線)和FSL(Fast Simple Link)總線與Microblaze軟核連接，從而最大限度地發(fā)揮FPGA設(shè)計(jì)的靈活性。
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2 基于Microblaze的嵌入式開發(fā)流程
    如圖2所示，基于Microblaze的嵌入式開發(fā)流程主要包括3個(gè)步驟：首先要搭建起底層的物理平臺(tái)，包括構(gòu)建Microblaze處理器，將所需的外設(shè)通過(guò)片內(nèi)總線掛到Microblaze處理器上，并根據(jù)需要開發(fā)用戶自定義的IP核；第二步在構(gòu)建起的硬件平臺(tái)上編寫軟件應(yīng)用程序，包括應(yīng)用程序代碼、庫(kù)文件以及板級(jí)支持包BSP等；最后將硬件的比特流配置文件和軟件的可執(zhí)行重定位文件進(jìn)行合并形成最終的文件，或者直接下載到FPGA內(nèi)部運(yùn)行，或者下載到FPGA片外的非易失性存儲(chǔ)器Flash中，在系統(tǒng)配置完成后由Bootloader。程序?qū)lash中的應(yīng)用程序拷貝到片外的DDRRAM中運(yùn)行。

2．1 硬件平臺(tái)的開發(fā)
    EDK的組件XPS(Xilinx Platform Studio)為Microblaze提供了一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，硬件平臺(tái)的開發(fā)主要包括兩方面內(nèi)容：
    ①用基本系統(tǒng)向?qū)SB(Base System Builder)搭建Microblaze平臺(tái)，包括FPGA器件型號(hào)的選擇、Microblaze處理器屬性的設(shè)置、所需外設(shè)的添加和屬性設(shè)置、測(cè)試程序的生成等步驟。圖3給出了BSB完成后的XPS顯示窗口內(nèi)容。從圖3可以看到，系統(tǒng)添加了多種外設(shè)，如RS232串口、與外部Flash和。DDR RAM進(jìn)行交互的控制邏輯、中斷控制器和定時(shí)器等，這些外設(shè)通過(guò)指定的片內(nèi)總線連接到Microblaze控制核上。除此之外，還可以在Ports頁(yè)面對(duì)各個(gè)模塊的信號(hào)進(jìn)行相互連接，在Addresses頁(yè)面對(duì)模塊的地址進(jìn)行分配等。這部分工作相當(dāng)于將原本不可分割的ASIC專用集成芯片進(jìn)行了拆卸，讓用戶深入到芯片內(nèi)部，根據(jù)自身的需求去選取芯片需要具備的功能模塊，并完成這些模塊與控制核的連接和地址分配，形成用戶最終定制的底層邏輯。這種拆卸和組合在一定程度上增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度，但也換來(lái)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、通用性和可擴(kuò)展性。

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    ②定制用戶自己的IP核。由于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特殊性，有時(shí)可能很難找到一款A(yù)SIC控制器，具備系統(tǒng)要求的所有外設(shè)接口。在這種情況下，要么用軟件實(shí)現(xiàn)所缺的外設(shè)功能，從而犧牲了系統(tǒng)性能；要么單獨(dú)購(gòu)置一片該接口芯片，從而增大了電路板面積和成本。而基于FPGA軟核的設(shè)計(jì)則不存在這種問(wèn)題。在XPS中定制用戶IP核與一般用VHDL編寫邏輯電路不同的是，這種定制IP可以掛接在PLB總線上，從而實(shí)現(xiàn)與Microblaze的通信。XPS提供自定義IP核的生成向?qū)?，圖4給出了用戶自定義IP核的邏輯結(jié)構(gòu)。從圖可以看出，生成向?qū)?chuàng)建了兩個(gè)模塊，一個(gè)是與PLB總線進(jìn)行交互的接口模塊IPIF，另一個(gè)是用戶邏輯模塊User_Logic。IPIF完成PLB總線信號(hào)的捕捉和協(xié)議轉(zhuǎn)換，這部分內(nèi)容不需要用戶參與，用戶只需根據(jù)自定義邏輯的輸入／輸出信號(hào)在IPIF中給出相應(yīng)的聲明即可；User_Logic模塊則是需要用戶進(jìn)行手動(dòng)添加自定義邏輯代碼的地方，在這里用戶只需關(guān)注自己需要實(shí)現(xiàn)的功能，不用擔(dān)心它們與Microblaze之間的通信鏈接。

2．2 軟件平臺(tái)的開發(fā)
    EDK的另一個(gè)組件SDK是對(duì)于XPS集成開發(fā)環(huán)境的補(bǔ)充，提供了一個(gè)軟件工程項(xiàng)目的開發(fā)環(huán)境，具有以下功能和特點(diǎn)：
    ◆基于Eclipse開源代碼標(biāo)準(zhǔn)；
    ◆項(xiàng)目管理；
    ◆功能完善的C／C++代碼編輯和編譯環(huán)境；
    ◆程序創(chuàng)建配置和自動(dòng)化的Makefile生成；
    ◆完美集成的對(duì)嵌入式對(duì)象的無(wú)縫調(diào)試環(huán)境。
    除了提供軟件的開發(fā)環(huán)境外，Xilinx公司還提供了各種IP核的API控制函數(shù)，這些API被安放在．．＼EDK＼SW＼XilinxProcessorIPLib＼drivers目錄下，其中．．＼表示Xilinx軟件的安裝目錄。通過(guò)閱讀IP核的PDF說(shuō)明文檔和API函數(shù)的C代碼，用戶可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)IP核的控制。以通用輸入／輸出端口GPIO為例，在文件夾．．＼EDK＼sw＼XilinxProcessorIPLib＼drivers＼gpio_v2_13_a下存放著與GPIO軟件編程有關(guān)的所有內(nèi)容，其src子目錄下包含各種API函數(shù)的C源碼，doc目錄下包含對(duì)各種API函數(shù)的使用說(shuō)明，而examples目錄下還有針對(duì)GPIO進(jìn)行編程的實(shí)例源碼。一般對(duì)GPIO的操作過(guò)程為：
   
    即首先對(duì)GPIO口進(jìn)行初始化，然后設(shè)置其方向?yàn)檩斎牖蚴禽敵觯酉聛?lái)就可以對(duì)GPIO進(jìn)行讀寫。如果該GPIO可以產(chǎn)生中斷，則必須置位其中斷使能位，然后將中斷處理函數(shù)掛接到中斷控制器或直接掛到Microblaze的中斷位上。[!--empirenews.page--]
2．3 Chipscope調(diào)試
    Chipscope是Xilinx公司的片內(nèi)調(diào)試工具，通過(guò)將邏輯分析器、總線分析器和虛擬I／O小型軟核插入到用戶的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以查看和分析任何內(nèi)部FPGA信號(hào)，包括嵌入式處理器總線。信號(hào)被實(shí)時(shí)采集，并從編程接口JTAG傳輸?shù)街鳈C(jī)，然后通過(guò)Chipscope Pro邏輯分析器進(jìn)行分析。Chipscope的典型工作模式支持4種Chipscope Core，它們具有不同的功能和適應(yīng)環(huán)境：
    ①Chipscope_icon，用于管理其他的Chipscope core，所有的Chipscope core都是通過(guò)這個(gè)核連接到FPGA的JTAG口；
    ②Chipscope_ila，用于監(jiān)控FPGA內(nèi)部的自定義信號(hào)，是使用范圍最廣的監(jiān)控核；
    ③Chipscope_plb46_iba，用于監(jiān)控PLB總線；
    ④Chipscope_vio，用于監(jiān)控FPGA內(nèi)部的實(shí)時(shí)自定義信號(hào)變化。
    Chipscope使用的幾個(gè)主要步驟包括：
    ①調(diào)用Chipscope Pro Core Generator，生成需要使用的Chipscope cote，并加入到工程中；
    ②調(diào)用Chipseope Pro Core Inserter，選擇需要監(jiān)控的信號(hào)，設(shè)置采樣和匹配參數(shù)，并將配置后的Chipscopecore插入到設(shè)計(jì)中；
    ③調(diào)用Chipscope Pro Configuration，包括ChipscopePro On-Chip Debugging和Chipscope Pro On-Chip Verification，即通過(guò)Chips-cope的分析器工具Analyzer觀察FPGA內(nèi)部信號(hào)，并和設(shè)計(jì)者的需求進(jìn)行比較，分析不一致的時(shí)序。

3 為系統(tǒng)添加嵌入式操作系統(tǒng)
    如果系統(tǒng)所涉及的功能比較復(fù)雜，或者系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格的話，在自己的設(shè)計(jì)中加載一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。Xilinx FPGA目前支持絕大多數(shù)主流嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、Embedded Linux、μClinux、μC／OS-II和PetaLogix等，而μC／OS-II因其具有移植方便、執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為Microblaze軟核的首選嵌入式操作系統(tǒng)。μC／OS-II的大部分源代碼是用ANSI C語(yǔ)言編寫的，它的移植只需改寫與處理器有關(guān)的3個(gè)文件即可。

    如圖5所示，修改與處理器相關(guān)的常數(shù)和宏定義頭文件OS_CPU．H、任務(wù)切換過(guò)程中的堆棧處理匯編文件OS_CPU_A．ASM和鉤函數(shù)定義文件OS_CPU_C．C。最簡(jiǎn)便的做法是在μC／OS-II官方網(wǎng)站www．micrium．com上下載an1013．zip壓縮包，里面包含針對(duì)Microblaze修改好的3個(gè)移植文件、μC／OS-II軟件代碼和μC／OS-II應(yīng)用指導(dǎo)文檔，根據(jù)文檔的描述將壓縮包中的相關(guān)文件放到Xilinx的指定安裝目錄下，就可以在S-DK中直接選用μC／OS-II操作系統(tǒng)。此外，壓縮包中還提供了一個(gè)示例程序，用于演示μC／OS-II操作系統(tǒng)是否在Microblaze系統(tǒng)上運(yùn)行正常，極大減輕了用戶在移植μC／OS-II過(guò)程中所面臨的工作量。

4 FPGA的配置
    基于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA每次上電都需要外部的配置芯片對(duì)其進(jìn)行加載，Xilinx的FPGA提供了多種配置方式，如簡(jiǎn)便的Platform Flash PROM主串配置、價(jià)格低廉的SPI配置、大容量的并行配置和JTAG配置等，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行靈活選擇。結(jié)合iMPACT圖形化配置軟件，向片外配置芯片燒寫比特流的工作變得非常簡(jiǎn)單，極大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。除了常規(guī)的配置方式外，Xilinx FPGA還支持將多個(gè)配置文件放在一個(gè)配置芯片中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多配置啟動(dòng)，或者將用戶數(shù)據(jù)存放在配置芯片中，在系統(tǒng)配置完成后根據(jù)需要隨時(shí)從配置芯片中讀出用戶數(shù)據(jù)。在Xilinx的官方網(wǎng)站www．xinlinx．com上可以下載關(guān)于芯片配置的各種應(yīng)用文檔，使用戶在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中最大限度地發(fā)揮FPGA的靈活性。

結(jié)語(yǔ)
    基于FPGA軟核的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為硬件平臺(tái)開發(fā)和軟件平臺(tái)開發(fā)兩個(gè)部分，在硬件平臺(tái)開發(fā)過(guò)程中可以根據(jù)需求選擇外設(shè)，也可以定制自己的IP，實(shí)現(xiàn)更為靈活的接口和控制功能；在軟件平臺(tái)開發(fā)階段則可以充分利用XPS提供的API制函數(shù)，方便快捷地編寫控制程序。FP-GA進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所具備的定制性正受到越來(lái)越多的青睞和關(guān)注，可以預(yù)見，未來(lái)使用FPGA進(jìn)行嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)必將成為潮流。