引 言
SoPC可編程片上系統(tǒng)是一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)。首先,它是片上系統(tǒng)(SoC),即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次,它是可編程系統(tǒng),以FPGA為硬件基礎(chǔ),具有靈活的設(shè)計(jì)方式,可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí),并具備軟硬件系統(tǒng)在線可編程的功能。
IP(Intellectual Property)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是SoC設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。資源復(fù)用(IP Reuse)是指在集成電路設(shè)計(jì)過程中,通過繼承、共享或購(gòu)買所需的部分或全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核(IP Core)進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和驗(yàn)證,從而加速流片設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)方法。IP技術(shù)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:IP核的生成和IP核的重用。本設(shè)計(jì)中采用VHDL語言,構(gòu)建一個(gè)功能強(qiáng)大的完整DDS模塊,并根據(jù)IBM CoreConnect總線連接規(guī)范,在DDS模塊外面添加OPB(Onchip Peripheral Bus)片上外設(shè)總線接口,封裝為自定義IP,添加到硬件系統(tǒng)中。
對(duì)于本設(shè)計(jì)來說,利用SoPC和IP的優(yōu)勢(shì)是可以利用最少的元器件,創(chuàng)建一個(gè)易配置、易擴(kuò)展、易修改并且易于繼
承使用的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)建是基于Xilinx公司提供的嵌入式開發(fā)工具包EDK(Embedded Development Kit)來實(shí)現(xiàn)的。EDK自帶了MicroBlaze軟核和PowerPC硬核微處理器及大量免費(fèi)IP,有利于構(gòu)建簡(jiǎn)易系統(tǒng)。針對(duì)MicroBlaze及PowerPC提供的C語言編譯器,可使系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)易。對(duì)基于MicroBlaze的系統(tǒng),MicroBlaze通過OPB總線與外設(shè)IP及外部存儲(chǔ)器控制接口相連接,通過LMB(Local Memory Bus)總線與FPGA片上塊存儲(chǔ)器BRAM(Block RAM)相連接,還可以通過EMC(External Memory Control)等存儲(chǔ)器控制IP擴(kuò)展片外RAM或ROM。
1 系統(tǒng)的架構(gòu)
本設(shè)計(jì)采用SoPC可編程片上系統(tǒng)的思想,利用Xilinx的Spartan3系列XC3S400 FPGA,通過EDK開發(fā)工具包的集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform Studio)完成了FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基于此硬件系統(tǒng)的軟件開發(fā)。圖1是基于EDK的系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖,設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)符合基于HDL硬件描述語言的EDA開發(fā)流程,是根據(jù)硬件系統(tǒng)合理使用總線IP和外設(shè)IP,并為各個(gè)實(shí)例定義地址范圍以及輸出端口和時(shí)鐘,經(jīng)過綜合及布線后形成硬件配置文件。軟件設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計(jì)類似,是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上根據(jù)處理器所支持的指令集以及編譯環(huán)境編寫程序代碼,然后對(duì)代碼編譯燒寫及調(diào)試。
圖1EDK系統(tǒng)開發(fā)流程圖
該設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字部分。系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。
圖2系統(tǒng)示意圖
&nbs p; 圖3 FPGA內(nèi)部的硬件系統(tǒng)
圖4 MicroBlaze處理器架構(gòu)圖
在FPGA內(nèi)部,以MicroBlaze為控制核心,以DDS IP為波形發(fā)生功能實(shí)現(xiàn)核心,同時(shí)加入了其他的IP核,諸如調(diào)試用的MDM(Microprocessor Debug Module),用于與PC進(jìn)行通信的UART(Universal Asynchronous Receiver & Transmitter)通用異步傳輸模塊,以及LCD顯示和4×4按鍵控制模塊,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成。FPGA硬件系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字量,外圍電路加上高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器件DAC902,把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬波形,即實(shí)現(xiàn)了完整的可編程片上系統(tǒng)的波形發(fā)生器。
2 硬件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)以32位MicroBlaze軟核處理器為系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。各種IP包括自主編寫的以及EDK自帶的,使用XPS下的ADD/Edit Cores工具,通過相應(yīng)類型的總線連接到MicroBlaze上。其中UART、LCD、GPIO和自主編寫的DDS的IP都是通過OPB(Onchip Peripheral Bus)片上外設(shè)總線連接到處理器上的。程序存儲(chǔ)器RAM則是由FPGA內(nèi)部的BRAM實(shí)現(xiàn),并通過LMB(Local Memory Bus)本地存儲(chǔ)器總線與MicroBlaze相連接。自主編寫的IP與總線間的接口符合CoreConnect規(guī)范,實(shí)現(xiàn)了IP間的無縫結(jié)合,方便了數(shù)據(jù)的讀寫及時(shí)序控制。圖3給出了在FPGA內(nèi)部由各種IP組合成的可編程硬件系統(tǒng)。
硬件系統(tǒng)所包含的器件如圖3右部分所示。Microblaze_0是該系統(tǒng)的CPU,其中的debug_module為調(diào)試模塊,dlmb_cntlr和 ilmb_cntlr為片上BRAM控制器。Lmb_bram為片上BRAM,它通過LMB總線與 BRAM控制器相連,接受CPU的讀寫訪問。DDFS是為實(shí)現(xiàn)DDS編寫的IP模塊。RS232為UART模塊,用于與其他設(shè)備的通信以及程序調(diào)試。LCD IP負(fù)責(zé)128×64點(diǎn)陣液晶的顯示控制。 COL和ROW是例化后的GPIO接口,用于連接4×4鍵盤。
2.1 MicroBlaze軟核處理器
MicroBlaze是Xilinx提供的32位微處理器IP核,是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC微處理器,有較高的性能。它可以在性價(jià)比很高的SpartanIII系列FPGA上實(shí)現(xiàn)。EDK為其提供了MBGCC,支持C及C++語言。 MicroBlaze架構(gòu)如圖4所示。
該處理器含有32個(gè)32位的通用寄存器,2個(gè)專用寄存器,獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)和指令總線,并與IBM的OPB總線完全兼容,具有32位的指令寬度支持三個(gè)操作數(shù)和兩種尋址模式,以及可選的硬件乘除法及浮點(diǎn)運(yùn)算單元。
2.2 DDS IP的實(shí)現(xiàn)
數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(Direct Digital Frequency Synthesis,簡(jiǎn)稱DDS或DDFS)的基本原理是利用采樣定理,通過查表法產(chǎn)生波 形,其基本電路原理如圖5所示。
DDS的頻率及步進(jìn)容易控制,且合成的頻率取決于累加器及查找表的速度,采用FPGA可以很好的發(fā)揮這項(xiàng)優(yōu)勢(shì),獲得精細(xì)的步進(jìn)及寬頻帶。使用HDL硬件描述語言,可以很方便的描述出DDS的FPGA硬件實(shí)例。在基本的DDS模塊上,添加相應(yīng)的控制寄存器,通過向不同的寄存器內(nèi)寫入相應(yīng)的控制字,實(shí)現(xiàn)頻率以及幅度的可控性。最后通過IBM CoreConnect技術(shù),在DDS模塊外面添加總線接口,作為自定義IP,成功地將其掛載到系統(tǒng)總線上,便可以方便的對(duì)其進(jìn)行讀寫操作,實(shí)現(xiàn)DDS模塊與MicroBlaze的通信。圖6是從用戶邏輯到成為符合IBM CoreConnect技術(shù)規(guī)范的DDS IP的實(shí)現(xiàn)過程。
DDS的VHDL代碼作為子模塊與opb_core_ssp0_ref.vhd模塊共同構(gòu)成opb_DDS IP Core,其中ipif(IP InterFace )符合IBM CoreConnect規(guī)范,負(fù)責(zé)DDS邏輯與OPB總線之間的通信。在EDK中,通過Create/Import IP工具把opb_DDS添加到系統(tǒng)中,并為其分配地址,建立端口連接,之后就可以使用該IP了。DDS IP配合控制程序可產(chǎn)生各種波形,并對(duì)頻率、幅
度進(jìn)行精確的控制。
2.3 其余部分
系統(tǒng)所需要的LCD顯示、DAC控制等模塊,均通過與生成DDS IP相同的方式,編寫為符合IBM CoreConnect總線規(guī)范的IP,以供使用。
在硬件系統(tǒng)構(gòu)建完畢之后,使用Platgen工具生成網(wǎng)表文件和Bitgen工具生成相應(yīng)的硬件配置文件。若將工程導(dǎo)入到ISE軟件中,可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置,還可以將工程導(dǎo)入到其他的綜合工具如Synplify Pro進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。IP核的編寫是在ISE中完成的。無論對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)還是一個(gè)單獨(dú)的IP,都可以利用Modelsim工具進(jìn)行行為及時(shí)序仿真。最后,為此系統(tǒng)描寫XBD(Xilinx Board Description)板級(jí)描述文件,通過此文件,EDK可以通過BSB(Base System Builder)模式自動(dòng)生成基本的硬件系統(tǒng),并對(duì)所添加的端口進(jìn)行約束,這樣可以實(shí)現(xiàn)資源的繼承性使用。
圖5 DDS原理硬件實(shí)現(xiàn)圖
圖6 DDS IP的實(shí)現(xiàn)方式示意圖
3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
EDK提供了免費(fèi)的GNU C Compiler,可以支持標(biāo)準(zhǔn)C。同時(shí),EDK為多種IP以API的形式提供了驅(qū)動(dòng)函數(shù),有利于程序的開發(fā)。XPS所集成的軟件工程管理工具允許在一個(gè)硬件平臺(tái)上同時(shí)開發(fā)多個(gè)軟件工程。完成軟件代碼的編寫后,使用EDK集成的XMD和GDB調(diào)試器對(duì)代碼進(jìn)行仿真和調(diào)試,也可以配合ChipScope(片內(nèi)邏輯分析儀)進(jìn)行硬件及軟件的協(xié)同調(diào)試。XMD通過MDM模塊和JTAG口連接目標(biāo)板上的CPU,GDB可以對(duì)程序進(jìn)行單步調(diào)試或斷點(diǎn)設(shè) 置。針對(duì)本設(shè)計(jì)及應(yīng)用,編寫了系統(tǒng)控制及液晶顯示程序。程序編譯后生成為elf文件,通過Update bitstream工具把程序同硬件配置文件合成為Download.bit文件,把此文件下載到目標(biāo)板后,F(xiàn)PGA首先根據(jù)硬件配置信息建立硬件系統(tǒng),并把程序代碼映射到片內(nèi)BRAM中,最后啟動(dòng)MicroBlaze,運(yùn)行程序。
4 總結(jié)
本系統(tǒng)基于FPGA,以MicroBlaze為核心,加入具有良好特性的DDS IP,并輔以必要的外圍電路,構(gòu)成了高度集成化的系統(tǒng)。另外,SoPC系統(tǒng)的柔性配置,使得可以基于此系統(tǒng)擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器,并可以實(shí)現(xiàn)RTOS操作系統(tǒng)的移植,以實(shí)現(xiàn)更豐富的功能和完成更復(fù)雜的任務(wù)。
參考文獻(xiàn)
1 徐欣,盧啟中,于紅旗. 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004
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3 Xilinx Software tools User Guide