“軟”控制器是一個(gè)在FPGA的可編程結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)的平臺(tái)。過(guò)去，現(xiàn)成的微控制器的價(jià)格大大低于軟處理器的價(jià)格。如今隨著90納米或采用更小工藝的最新低成本現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的出現(xiàn)，它們的整體成本已具有可比性。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)軟微控制器進(jìn)行調(diào)整，以便符合目標(biāo)應(yīng)用所需的功能和性能。有些通用微控制器附加了一些不必要的功能，與這些通用微控制器相比較，使用軟微控制器可能會(huì)導(dǎo)致更低的成本。因此，對(duì)成本敏感的應(yīng)用，如那些針對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在用軟微控制器是一個(gè)可行的辦法。已經(jīng)證明，低成本FPGA是一種節(jié)省成本的解決方案，因?yàn)樗鼈兛梢匀〈罅康钠骷?。如果設(shè)計(jì)中已使用了FPGA ，微控制器可集成到這個(gè)FPGA之中，節(jié)省了使用分立元件或一個(gè)額外FPGA 的成本。

LatticeMico32微控制器

萊迪思的軟微控制器的核是LatticeMico32處理器。LatticeMico32是采用哈佛存儲(chǔ)器架構(gòu)的RISC設(shè)計(jì)。哈佛架構(gòu)允許執(zhí)行單周期指令，因?yàn)樵试S同時(shí)訪問(wèn)獨(dú)立的32位指令和數(shù)據(jù)總線。LatticeMico32有32個(gè)通用寄存器，可處理多達(dá)32個(gè)外部中斷。有兩個(gè)可選方法來(lái)改善吞吐量，以避免Wishbone總線訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。第一種方法是使用高速緩存（圖1 ） 。第二種方法是使用“內(nèi)聯(lián)”存儲(chǔ)器（圖中未顯示） 。內(nèi)聯(lián)存儲(chǔ)器是直接與指令和/或數(shù)據(jù)流水線相連的存儲(chǔ)器，而不是通過(guò)WISHBONE 來(lái)訪問(wèn)。這兩種方法可在一起使用。圖1中突出展示了這些特點(diǎn)，并展示了一些其它元件。
 

圖1 LatticeMico32的結(jié)構(gòu)圖

為了加快微控制器平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，幾個(gè)外圍元件可與LatticeMico32微處理器一起使用。通過(guò)Wishbone總線接口把這些元件連接到處理器，這是一個(gè)由OpenCores組織制定的免費(fèi)開(kāi)放協(xié)議。通過(guò)使用這個(gè)開(kāi)放源總線接口，用戶可以把自己的WISHBONE元件放入其嵌入式設(shè)計(jì)。

除了外設(shè)可用Wishbone總線之外， 還可以構(gòu)建一個(gè)總線互連結(jié)構(gòu)， 這樣不但能使元件之間能夠互相通信， 而且還可以進(jìn)行調(diào)整，從而滿足了系統(tǒng)的吞吐量需求。

設(shè)計(jì)流程

LatticeMico32 System軟件開(kāi)發(fā)工具提供了一個(gè)快速簡(jiǎn)便的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)微控制器設(shè)計(jì)。包括從微控制器的定義到軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。該工具基于Eclipse C / C + +開(kāi)發(fā)工具（ CDT ）環(huán)境，這是一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放源代碼軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)（圖2 ）。

 圖2  易于使用的圖形用戶界面開(kāi)發(fā)工具
 

LatticeMico32 System有3個(gè)集成工具：

MicoSystem Builder (MSB)
　　
MSB生成微控制器的結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)的相關(guān)硬件描述語(yǔ)言（HDL）代碼。設(shè)計(jì)者可以選擇外圍元件，把它們連接到微處理器，并指定它們之間的連接。其它工具要使用微控制器的結(jié)構(gòu)信息，以便使代碼完全針對(duì)微控制器。例如，UART可移入微控制器的存儲(chǔ)器空間（從而更新微控制器的結(jié)構(gòu)） ，針對(duì)這一更新微控制器的軟件將通過(guò)新的空間來(lái)訪問(wèn)UART。MSB還能構(gòu)建處理器（和其它主元件，如DMA ）和從外設(shè)之間的互連，從外設(shè)用來(lái)調(diào)整吞吐量的需求。例如，當(dāng)多個(gè)主元件與不同的外設(shè)通信時(shí)，多個(gè)主元件可以共享一個(gè)總線來(lái)訪問(wèn)所有的外設(shè)。或者每個(gè)主元件可以直接以非共享的形式訪問(wèn)任何一個(gè)外設(shè)，該外設(shè)只與那個(gè)主元件通信。這需要用更多互連的總線，但允許兩個(gè)主元件同時(shí)訪問(wèn)不同的外圍設(shè)備。最合適的總線互連將取決于該系統(tǒng)的通信模式和吞吐量的需求。
C/C++軟件項(xiàng)目環(huán)境(SPE)
　　
C / C + + SPE是一個(gè)集成的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。它包括一個(gè)制作系統(tǒng)，針對(duì)用MSB構(gòu)建的某一微控制器、調(diào)用編譯器、匯編器和創(chuàng)建代碼的連接器。
調(diào)試器
　　
C / C + +源代碼級(jí)調(diào)試器提供了軟件調(diào)試功能，調(diào)試可以是源代碼級(jí)或匯編級(jí)，這些代碼在軟微控制器/ FPGA中運(yùn)行。支持標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試任務(wù)，如設(shè)置斷點(diǎn)、步進(jìn)，并允許用戶觀察處理器中的寄存器和存儲(chǔ)器的狀態(tài)。
Reveal硬件調(diào)試器
　　
Reveal硬件調(diào)試器是一個(gè)片上調(diào)試器，它有別于LatticeMico32軟件調(diào)試器。然而，LatticeMico32調(diào)試器能深入觀察微控制器的狀態(tài)（如寄存器，存儲(chǔ)器的內(nèi)容） ，而Reveal則能夠深入觀察硬件。有了Reveal，用戶可以“跟蹤”任何一組設(shè)計(jì)信號(hào)。當(dāng)啟動(dòng)和停止跟蹤時(shí)，可設(shè)定復(fù)雜跟蹤觸發(fā)條件來(lái)加以控制。調(diào)試一個(gè)含有軟微控制器的系統(tǒng)時(shí)，可將Reveal和LatticeMico32調(diào)試器一起使用，這樣就有了高度的可見(jiàn)性和可用性。

　　支持Windows和Linux的工具鏈提供以下幾個(gè)方面的支持：

• 　　小型的C庫(kù)
• 　　自動(dòng)和用戶定義制作
• 　　應(yīng)用到非易失性存儲(chǔ)器（如SPI閃存 ）

　　操作系統(tǒng)

　　LatticeMico32支持以下操作系統(tǒng)：

• 　　源于奧地利Theobroma Systems的uClinux 和U-Boot
• 　　源于Micriμm的µC/OS-II RTOS
• 　　TOPPERS/JSP的µITRON RTOS

　　資源利用率和性能

　　LatticeMico32具有很高的性能并占用最小的資源。對(duì)那些關(guān)心資源的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，基本配置不使用指令或數(shù)據(jù)高速緩存、單周期移位器，也沒(méi)有乘法器。對(duì)于那些更加關(guān)心性能的設(shè)計(jì)人員而言，全面配置使用8K字節(jié)指令高速緩存、8K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩存、3個(gè)周期的移位器和乘法器。對(duì)需要考慮折衷方案的用戶，標(biāo)準(zhǔn)配置類似于全面配置，但沒(méi)有8K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩存。

　　開(kāi)放源代碼方法

　　在各種軟件領(lǐng)域，開(kāi)放源代碼越來(lái)越受歡迎了，并已被臺(tái)式機(jī)/服務(wù)器軟件所接受。采用開(kāi)放源代碼IP的好處包括更多的可見(jiàn)性、更大的靈活性，以及提高可移植性。

　　開(kāi)放源代碼能夠觀察微處理器的細(xì)節(jié)。通過(guò)訪問(wèn)源代碼，設(shè)計(jì)人員對(duì)這個(gè)核的細(xì)節(jié)會(huì)有一個(gè)全面的了解。此外，開(kāi)放源碼對(duì)這個(gè)IP提供了更大的靈活性，并且對(duì)每個(gè)人都開(kāi)放，因此設(shè)計(jì)人員可以對(duì)它進(jìn)行核查，并對(duì)此IP作出改進(jìn)。這種采用開(kāi)放源代碼的方法使整個(gè)用戶群體幫助查明問(wèn)題所在，并制定解決方案。這意味著，不僅允許用戶修改源代碼，還鼓勵(lì)他們這樣做。這種用戶群體相互促進(jìn)導(dǎo)致開(kāi)放源代碼的IP往往比傳統(tǒng)的專有IP更加穩(wěn)健和可靠。最終，開(kāi)放源碼提供了改進(jìn)的可移植性。用戶贊賞獨(dú)立的架構(gòu)，因?yàn)橐粋€(gè)開(kāi)放源代碼的IP核可用于任何FPGA ，甚至可以遷移到一個(gè)更高批量，成熟設(shè)計(jì)的ASIC中。獨(dú)立的架構(gòu)是很有價(jià)值的，因?yàn)樗軌虼_保在最后一分鐘對(duì)器件做出修改的情況。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，開(kāi)放源代碼IP最常見(jiàn)的好處是：它是免費(fèi)的。