基于MicroBlaze軟核的FPGA片上系統(tǒng)設計
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關鍵詞：FPGA IP Core SOPC MicroBlaze CoreConnect 軟處理器 軟件無線電
Xilinx公司的MicroBlaze 32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標準外設集合。MicroBlaze處理器運行在150MHz時鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，非常適合設計針對網絡、電信、數據通信和消費市場的復雜嵌入式系統(tǒng)。
1 MicroBlaze的體系結構
MicroBlaze 是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，和其它外設IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）的設計。MicroBlaze 處理器采用RISC架構和哈佛結構的32位指令和數據總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并和其它外設IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設計。MicroBlaze處理器采用RISC架構和哈佛結構的32位指令和數據總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并訪問其的數據，如圖1所示。
（1）內部結構
MicroBlaze內部有32個32位通用寄存器和2個32位特殊寄存器―PC指針和MSR狀態(tài)標志寄存器。為了提高性能，MicroBlaze還具有指令和數據緩存。所有的指令字長都是32位，有3個操作數和2種尋址模式。指令按功能劃分有邏輯運算、算術運算、分支、存儲器讀/寫和特殊指令等。指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級流水：取指、譯碼和執(zhí)行，如圖2所示。
（2）存儲結構
MicroBlaze是一種大端存儲系統(tǒng)處理器，使用如圖3所式的格式來訪問存儲器。
（3）中斷控制和調試接口
MicroBlaze可以響應軟件和硬件中斷，進行異常處理，通過外加控制邏輯，可以擴展外部中斷。利用微處理器調試模塊（MDM）IP核，可通過JTAG接口來調試處理器系統(tǒng)。多個MicroBlaze處理器可以用1個MDM來完成多處理器調試。
（4）快速單一連接路接口
MicroBlaze處理器具有8個輸入和8個輸出快速單一鏈路接口（FSL）。FSL通道是專用于單一方向的點到點的數據流傳輸接口。FLS和MicroBlaze的接口寬度是32位。每一個FSL通道都可以發(fā)送和接收控制或數據字。
2 CoreConnect技術
CoreConnect 是由IBM開發(fā)的片上總線通信鏈，它使多個芯片核相互連接成為一個完事的新芯片成為可能。CoreConnect技術使整合變得更為容易，而且在標準產品平臺設計中，處理器、系統(tǒng)以及外圍的核可以重復使用，以達到更高的整體系統(tǒng)性能。
CoreConnect總線架構包括處理器本機總線（PLB），片上外圍總線（OPB），1個總線橋，2個判優(yōu)器，以及1個設備控制寄存器（DCR）總線，CoreConnect總線架構如圖4所示。Xilinx將為所有嵌入式處理器用戶提供IBM CoreConnect許可，因為它是所有Xilinx嵌入式處理器設計的基礎。MicroBlaze處理器使用了與IBM PowerPC相同的總線，用作外設。雖然MicroBlaze軟處理器完成獨立于PowerPC，但它讓設計者可以選擇芯片上的運行方式，包括一個嵌入式PowerPC，并共享它的外設。
（1）片上外設總線（OPB）
內核通過片上外設總線（OPB）來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。OPB是一種完全同步總線，它的功能處于一個單獨的總線層級。它不是直接連接到處理器內核的。OPB接口提供分離的32位地址總線和32位數據總線。處理器內核可以借助“PLB to OPB”橋，通過OPB訪問從外設。作為OPB總線控制器的外設可以借助“OPB to PLB”橋，通過PLB訪問存儲器。
PLB接口為指令和數據一側提供獨立的32位地址和64位數據總線。PLB支持具有PLB總線接口的主機和從機通過PLB信號連接來進行讀寫數據的傳輸。總線架構支持多主從設備。每一個PLB主機通過獨立的地址總線、讀數據總線和寫數據總線與PLB連接。PLB從機通過共享但分離的地址總線、讀數據總線和寫數據總線與PLB連接，對于每一個數據總線都有一個復雜的傳輸控制和狀態(tài)信號。為了允許主機通過競爭來獲得總線的所有權，有一個中央判決機構來授權對PLB的訪問。
（3）設備控制寄存器總線（DCR）
設備控制寄存器總線（DCR）是為在CPU通用寄存器（GPRs）和DCR的從邏輯設備控制寄存器（DCRs）之間傳輸數據而設計的。
3 MicroBlaze的開發(fā)
應用EDK（嵌入式開發(fā)套件）可以進行MicroBlaze IP核的開發(fā)。工具包中集成了硬件平臺生產器、軟件平臺產生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調試工具等。EDK中提供一個集成開發(fā)環(huán)境XPS（Xilinx平臺工作室），以便使用系統(tǒng)提供的所有工具，完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個流程。EDK中還帶有一些外設接口的IP核，如LMB、OPB總線接口、外部存儲控制器、SDRAM控制器、UART、中斷控制器、定時器等。利用這些資源，可以構建一個較為完善的嵌入式微處理器系統(tǒng)。
在FPGA上設計的嵌入式系統(tǒng)層次結構為5級?？稍谧畹蛯佑布Y源上開發(fā)IP核，或或已開發(fā)的IP核搭建嵌入式系統(tǒng)，這是硬件開發(fā)部件；開發(fā)IP核的設備驅動、應用接口（API）和應用層（算法），屬軟件開發(fā)內容。
利用MicroBlaze構建基本的嵌入式系統(tǒng)如圖5所示。通過標準總線接口―LMB總線和OPB總線的IP核，MicroBlaze就可以和各種外設IP核相連。
EDK中提供的IP核均有相應的設備驅動和應用接口，使用者只需利用相應的函數庫，就可以編寫自己的應用軟件和算法程序。對于用戶自己開發(fā)的IP核，需要自己編寫相應的驅動和接口函數。軟件設計流程如圖6所示。
4 MicroBlaze的應用
在軟件無線電系統(tǒng)中，一般采用“微處理器+協(xié)處理器”結構。微處理器一般使用通用DSP，主要完成系統(tǒng)通信和基帶處理等工作；協(xié)處理器用FPGA實現，主要完成同步和預處理等底層算法的運算任務。在本課題中，采用的基帶處理算法比較簡單，應用軟處理器IP核代替DSP，在一片FPGA內就能實現整個系統(tǒng)的設計。這樣可以簡化系統(tǒng)的結構，提高系統(tǒng)的整體性能。
本課題的系統(tǒng)設計如圖7和圖8所示，FPGA片上系統(tǒng)主要完成兩個任務―發(fā)送和接收數據。對于發(fā)送任務，FPGA完成硬件算法的初始化，接收串口數據，并將數據存儲在雙口SRAM中，系統(tǒng)硬件算法部分對雙口SRAM中數據進行基帶處理，并將結果送給D/A轉換器。對于接收任務，FPGA接收A/D轉換器送來的數據，進行基帶處理，并將數據存儲在雙口SRAM中，把存儲在雙口SRAM中的數據通過串口發(fā)送回主機。
在EDK開發(fā)套件的XPS集成開發(fā)環(huán)境下進行系統(tǒng)硬件設計。在其界面環(huán)境下，添加IP核，進行系統(tǒng)連接和各項參數設置。由于系統(tǒng)中包含的硬件算法模塊不是標準模塊，因此工程需要設置成子模塊方式，利用平臺產生器，根據硬件描述文件（.MHS文件），生成嵌入式系統(tǒng)子模塊的網表文件（.NGC）。然后在ISE設計環(huán)境下，從外部通過GPIO端口與硬件算法模塊相連，從而構成整個應用系統(tǒng)的硬件模型。
//初始化串口，設置波特率等參數，清空發(fā)送和接收緩沖，禁止中斷；
XuartLite_Initialize(UART，XPAR_MYUARTLITE_DEVICE_ID);
//發(fā)送接收數據
XuartLite_Send(UART,send_data,1);XUartLite_Recv(UART,recv_data,1);
使用標準C語言進行應用程序的開發(fā)，編寫相應的算法軟件，完成系統(tǒng)功能。軟件流程如圖9所示。
將編寫的程序代碼利用mb-gcc編譯工具，根據系統(tǒng)的軟件一并，生成.ELF文件。在編譯鏈接之前，若選擇調試方式，就會在生成文件中加入調試接口SMDstub，進行程序的硬件調試。
利用系統(tǒng)的硬件模型以及RAM塊的組織結構文件、ELF文件和用戶結束文件，應用FPGA綜合實現工具（如Xilinx XST）進行綜合，然后下載生成的配置BIT文件
到目標板上。利用EDK中提供的GDB調試工具可以進行程序調試。有兩種調試方法：軟件仿真和硬件調試。軟件仿真可以進行程序的功能調試，在開發(fā)工具內部就可以進行，不需要硬件支持。硬件調試就是通過JTAG接口或串口（可在硬件設計時選擇），連接到目標板上的應用系統(tǒng)中的XMD調試接口，將軟件程序下載到系統(tǒng)中進行調試。本課題使用的目標板上的主芯片為Xilinx Spartan IIE 30萬門的FPGA，系統(tǒng)時鐘為50MHz。實際運行完全滿足設計要求。
結語
采用FPGA和MicroBlaze進行嵌入式系統(tǒng)設計，實現了多片專用芯片的功能，大大縮小了接收機體積，便于系統(tǒng)實現小型化、集成化。捕獲及跳頻同步等算法采用硬件實現，加快了捕獲跟蹤速度。實驗結果表明，FPGA系統(tǒng)設計是正確可行的。如果在系統(tǒng)中配置大容量的SDRAM，加入以太網或USB等高速通信接口，將實時操作系統(tǒng)運行于處理器上，就可以構建一個較為完善的，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)。這將在網絡、通信、消費類產品等多方面有著廣闊的應用前景。
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