摘要：為了滿足高性能和小型化的要求，采用SoPC技術(shù)在一片FPGA上實(shí)現(xiàn)了多個嵌入式系統(tǒng)來完成1553B通信和顯示處理等航電接口功能，特別是用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了軟件可配置的彩色調(diào)色板和分層疊加顯示技術(shù)，使得系統(tǒng)具有集成度高、配置靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了各子模塊的主要功能、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，該模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。
0 引言
機(jī)載火控雷達(dá)的接口模塊要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理機(jī)所有的接口任務(wù)，包括與雷達(dá)外部的航空電子系統(tǒng)總線、與雷達(dá)內(nèi)部其他分系統(tǒng)(如發(fā)射機(jī)等)的通信以及輸出雷達(dá)視頻信號給航空電子綜合顯示器。這些接口功能有的比較復(fù)雜，如顯示處理接口要將雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)送來的目標(biāo)、天線、航跡和地圖等數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后形成符合標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號輸出，有的要求高可靠性和實(shí)時性，如航電總線通信接口，而對于高性能的軍用設(shè)計，又要求盡可能減小空間、功耗和重量。隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，與1999年相比，F(xiàn)PGA的成本降低了500倍，邏輯容量提高了200倍，功耗降低了50倍，速度加快了40倍，并提供存儲器、高速并行和串行I/O、嵌入式處理器、DSP等強(qiáng)大功能，使得它的應(yīng)用正向更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展。SoPC作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向，采用基于SoPC的FPGA來設(shè)計嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，可以在提高系統(tǒng)性能的同時，將外圍的數(shù)字電路模塊和存儲器放入芯片內(nèi)設(shè)計，大大減少芯片數(shù)量，最大限度地提高系統(tǒng)的集成度，是目前最能滿足小型化、高性能要求的新技術(shù)。本文采用Xilinx公司的基于Virtex-ⅡPro FPGA的32位軟核MicroBlaze和32位PowerPC系列處理器硬核PowerPC 405。
1 應(yīng)用系統(tǒng)和外部接口
本文所設(shè)計的通用型多功能接口模塊包括3個接口子模塊，即與外部航電系統(tǒng)通信的1553B總線接口子模塊(MBI)、雷達(dá)內(nèi)部分系統(tǒng)之間的通信控制子模塊(M0)和航電顯示接口子模塊(TVJ)。這些子模塊功能彼此獨(dú)立并具有實(shí)時性要求，對于MBI模塊，需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r地響應(yīng)外部數(shù)據(jù)收發(fā)和高可靠性，處理速度不一定很高，對于顯示控制模塊，需要系統(tǒng)具有較高處理速度和能力以便能完成彩色雷達(dá)圖像的分層疊加顯示和地圖畫面的連續(xù)顯示，針對這些要求，充分采用SoPC技術(shù)，將3個嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)都放在FPGA內(nèi)部設(shè)計實(shí)現(xiàn)，很好地滿足了設(shè)計需求。圖1為該系統(tǒng)的總體框圖，3個子模塊分別連接3種外部接口，同時它們通過公用的與Multibus的接口獨(dú)立完成與主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
2 系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)
2.1 MBI子模塊電路設(shè)計
圖2為1553B總線接口子模塊(MBI)系統(tǒng)框圖，Microblaze是MBI功能塊的32位核心微處理器，它是一個專門為Xilinx FPGA優(yōu)化的RISC嵌入式軟處理器，具有32個32b通用寄存器、硬件乘法器、32b地址總線和32b數(shù)據(jù)總線、三操作數(shù)32b指令字，片內(nèi)總線遵循OPB(On-chip Peripheral Bus)標(biāo)準(zhǔn)，OPB是一種完全同步總線，OPB總線接口提供分離的32位地址總線和32位數(shù)據(jù)總線。通過OPB總線實(shí)現(xiàn)對1553B協(xié)議芯片、32位實(shí)時鐘、異步串行口(UART)、GPIO和雙口RAM的擴(kuò)展和控制。在雙口RAM1的另一個端口設(shè)計了與Multibus的存儲器接口功能，使Multibus總線和OPB總線上的主設(shè)備可同時對RAM1進(jìn)行存取不會產(chǎn)生沖突，且可在Multibus上實(shí)現(xiàn)雙向中斷功能，此外通過Multibus的I/O接口和OPB總線接口也可以對32位雷達(dá)實(shí)時鐘同時進(jìn)行存取而不產(chǎn)生沖突。
為了可以靈活地設(shè)置1553B協(xié)議芯片的工作方式，在此通過一個OPB總線上的16位GPIO來保存和修改對芯片的工作方式的設(shè)置，它包括5位RT地址RTA[4：0]，6位工作模式設(shè)置MSEL[5；0]，芯片復(fù)位MRST等控制。以上電路除1553B控制器和變壓器外全部都在FPGA內(nèi)部用IP核和VHDL設(shè)計實(shí)現(xiàn)，MBI軟件上電后對1553B控制器進(jìn)行初始化，然后實(shí)時查詢和響應(yīng)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主機(jī)通過Multibus上的雙口RAM1送來的命令和數(shù)據(jù)以及1553B總線上發(fā)來的命令，完成與其他航電設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和通信。
2.2 M0子模塊電路設(shè)計
圖3為內(nèi)總線接口子模塊(M0)系統(tǒng)框圖，W8051是與8051單片機(jī)兼容的IP軟核，它通過工作在方式2下的8051串行口實(shí)現(xiàn)雷達(dá)內(nèi)總線M0主控器功能，分別為W8051擴(kuò)展了4 KB的程序ROM和256 B的RAM，同時擴(kuò)展了4KB的雙口RAM2并掛接在Multibus上，以實(shí)現(xiàn)與主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。主控計算機(jī)通過一個I/O(INT)來中斷W8051，整個M0控制系統(tǒng)均在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，軟件在這個獨(dú)立的計算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)自定義的M0內(nèi)總線通信協(xié)議，以完成主控計算機(jī)與內(nèi)總線上雷達(dá)其他從設(shè)備(如發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等)的可靠通訊。
2.3 TVJ子模塊電路設(shè)計
TVJ功能塊的核心是基于FPGA的硬處理器核PowerPC 405，PowerPC 405是專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的高性能32位PowerPC系列處理器芯核，對于Virtex-ⅡPro系列FPGA，其實(shí)現(xiàn)型號為PowerPC405D5，其內(nèi)核的結(jié)構(gòu)主要包括1個5級流水線單元，1個虛擬存儲器管理單元，1個指令和數(shù)據(jù)獨(dú)立的Cache單元，1個調(diào)試口和3個可編程計數(shù)器，片內(nèi)總線遵循PLB(Processor Local Bus)標(biāo)準(zhǔn)，PLB是一種高性能的同步總線，用于連接處理器和高速外設(shè)，提供分離的32位地址總線和64位數(shù)據(jù)總線。通過PLB總線接口實(shí)現(xiàn)對視頻RAM、彩色查找表LUT、32位計數(shù)器、UART和雙口RAM3的擴(kuò)展，在雙口RAM3的另一端實(shí)現(xiàn)了與Multibus的存儲器接口及雙向中斷功能，視頻RAM分為A、B兩塊，共4MB，顯示分辨率為575×575×16 b，通過PLB總線和多路切換電路可以對它們進(jìn)行讀/寫，同時視頻RAM的內(nèi)容經(jīng)讀取控制電路讀出后經(jīng)彩色查找表變換為24位真彩色數(shù)字視頻再經(jīng)過D/A變換和運(yùn)放的驅(qū)動輸出模擬視頻信號。通過PLB總線可以隨時設(shè)置彩色查找表LUT的內(nèi)容以實(shí)時地進(jìn)行多種分層疊加彩色顯示方式的切換。視頻時序發(fā)生電路產(chǎn)生符合PAL制式的同步/消隱信號，當(dāng)有外部同步信號輸入時，外同步檢測電路可自動識別出來并與外部的鎖相環(huán)(PLL)配合，產(chǎn)生與外同步信號完全一致的視頻時序信號，保證最后輸出的模擬視頻與其完全同步。除去視頻RAM，PLL，D/A、和運(yùn)放電路外，整個PowerPC 405系統(tǒng)和顯示控制的時序、邏輯電路及彩色查找表等都在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。如圖4所示。
2.4 TVJ子模塊視頻控制電路設(shè)計
視頻控制電路是TVJ子模塊的關(guān)鍵電路，它包括PLB總線接口、VRAM切換控制電路、視頻時序發(fā)生器、VRAM地址發(fā)生器、彩色查找表和控制/狀態(tài)寄存器，如圖5所示。
PLB總線接口主要完成視頻控制電路與系統(tǒng)PLB總線的符合IBM CoreConnect總線規(guī)范的無縫接口電路。VRAM切換控制電路完成系統(tǒng)對兩塊顯存讀/寫控制的交替切換。PLB_EMC是Xilinx嵌入式開發(fā)套件EDK自帶的PLB總線外部存儲器控制接口IP。VRAM_A和VRAM_B都是存儲視頻圖像數(shù)據(jù)的顯存，切換控制電路在任意時刻總是將1塊顯存掛接在PLB_EMC接口上，而從另一塊顯存讀出視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)色板變換后輸出給D /A產(chǎn)生要顯示的彩色圖像信號。修改顯示畫面時CPU通過PLB總線先對掛接在PLB_EMC接口上的VRAM_A進(jìn)行改寫，同時用VRAM_B讀出的數(shù)據(jù)來完成顯示，然后通過設(shè)置控制寄存器切換到另一狀態(tài)，再用VRAM_A完成顯示，而對VRAM_B改寫以使兩塊顯存數(shù)據(jù)保持相同，這樣系統(tǒng)讀/寫顯存時就不會影響顯示了，同時VRAM切換控制電路可以設(shè)置為只對高8位、只對低8位和對16位這3種顯存存取方式，以此來實(shí)現(xiàn)顯存的快速存取和背景疊加顯示功能。
PAL視頻時序發(fā)生器產(chǎn)生顯示所需的時鐘、行場同步和消隱信號，提供給VRAM地址發(fā)生器子模塊，用于形成尋址外部顯存的地址。將FPGA內(nèi)部的存儲器資源例化為一個128K×4b的ROM，然后將1幀時間長度(40ms)的信號設(shè)計成.coe格式文件作為ROM的初始化數(shù)據(jù)。
VRAM地址發(fā)生器就是根據(jù)PAL視頻時序發(fā)生器給出的行、場同步和消隱信號來產(chǎn)生讀顯存需要的地址，并與PAL制式信號時序同步。
彩色查找表的功能是將從顯存讀出的視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過查表處理后形成24位RGB彩色數(shù)字視頻提供給D/A變換輸出到顯示器顯示。查找表共512個單元，將其分為兩部分，0～255為第一個表，256～511為第二個表，顯存輸出的數(shù)字視頻要么通過第一個表，要么通過第二個表來轉(zhuǎn)換，不能同時，當(dāng)數(shù)字視頻高8位為全0時，將使用低8位去索引第一張表，當(dāng)高8位不為全0時，將使用高8位去索引第二張表，這樣系統(tǒng)可以由軟件來靈活地設(shè)置修改彩色查找表的內(nèi)容從而實(shí)現(xiàn)多種分層和疊加的彩色顯示方式。
3 SoPC技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用
開發(fā)采用Xilinx公司的EDK(嵌入式開發(fā)套件)和ISE工具軟件。EDK工具包中集成了硬件平臺生成器(Platgen)、軟件平臺生成器(Libgen)、仿真模型生成器(Simgen)、軟件編譯器(Mb-gcc/ppc-gcc)和軟件調(diào)試工具(Mb-gdb/ppc-gdb)等，通過集成開發(fā)環(huán)境XPS，用戶可以調(diào)用上述所有工具，來完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個流程。
可配置嵌入式系統(tǒng)的配置層面包括，處理器配置：如指令或數(shù)據(jù)緩沖配置，協(xié)處理器或硬件加速器；系統(tǒng)配置：如I/O外設(shè)選擇、定制、DMA選擇、存儲器外設(shè)選擇、定制等；用戶專用外設(shè)和電路：將專用電路設(shè)計成為用戶自定義的IP Core，然后在系統(tǒng)中添加調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。用戶自定義的IP Core要求必須用HDL設(shè)計并滿足片內(nèi)總線接口和EDK工程的規(guī)范，如有專門目錄結(jié)構(gòu)和處理器外設(shè)定義文件(.MPD)、外設(shè)分析定義文件(.PAO)等。如果自定義的IP Core要具有軟件驅(qū)動，那設(shè)計還要完全符合相應(yīng)的總線底層驅(qū)動接口規(guī)范。總之將SoPC技術(shù)應(yīng)用在接口模塊的設(shè)計中具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于接口模塊往往是實(shí)現(xiàn)專用功能的嵌入式計算機(jī)小系統(tǒng)，在芯片RAM資源可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求的前提下，可以將系統(tǒng)存儲器都集成到FPGA內(nèi)部，大大減小體積和功耗，減少芯片數(shù)量；硬件設(shè)計的更改可通過重新配置FPGA器件來實(shí)現(xiàn)，增加設(shè)計靈活性，降低設(shè)計風(fēng)險。
4 結(jié)語
由于FPGA內(nèi)部集成的通信接口和IP Core的種類的不斷豐富，使得在更多的應(yīng)用領(lǐng)域使用SoPC技術(shù)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計已成為可能。該多功能接口模塊已成功地應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，取代了以往3個單獨(dú)的接口模塊，大大減小了體積，降低了功耗，在提高了性能的同時也提高了系統(tǒng)的可靠性，并為設(shè)計體積更小、性能更強(qiáng)的雷達(dá)接口模塊提供了發(fā)展方向。