LEON2應(yīng)用于DCPU的FPGA仿真

　　LEON2的整數(shù)處理單元是5級(jí)流水線設(shè)計(jì)，采用SPARC V8(IEEE一1754)指令和體系結(jié)構(gòu)，具有分離的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache。LEON2的整數(shù)單元包括一個(gè)可選的16×16的MAC單元，能夠完成基本的DSP運(yùn)算，同時(shí)還提供了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)的接口和協(xié)處理器(CP)的接口，可以擴(kuò)展浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP處理。LEON2選用了ARM公司的AMBA 2.0片上總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接內(nèi)存控制器、定時(shí)器、中斷控制器、UART接口、PCI接口、10/100 Mb/s以太網(wǎng)接口等模塊。LEON2同時(shí)還提供1個(gè)調(diào)試支持單元和1個(gè)調(diào)試串口，用于支持片內(nèi)調(diào)試。LEON2的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是具有很好的可配置性。使用者根據(jù)自己的需要，通過(guò)一個(gè)用tcl/tk腳本編寫(xiě)的圖形化界面，對(duì)LEON2內(nèi)核的絕大多數(shù)模塊進(jìn)行配置，比如可以配置Cache的大小和訪問(wèn)方式，是否支持硬件乘/除法，是否需要內(nèi)存。

　　Gaisler Research公司還提供了比較完善的基于LEON2的GNU軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用者可以使用TSIM或GRMON進(jìn)行LEON內(nèi)核的調(diào)試仿真。 LECCS是專門針對(duì)LEON的交叉編譯系統(tǒng)，可以進(jìn)行C/C++的編譯和調(diào)試。SnapGear Linux是基于LClinux的實(shí)時(shí)Linux內(nèi)核，它的LEON版提供了對(duì)LEON處理器的全面支持，可以支持MMU和NOM—MU等不同配置方案。

　　由以上描述可以看出，LEON2具有強(qiáng)大的硬件配置和完備的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境支持，可以承擔(dān)數(shù)字機(jī)頂盒CPU要求的各種信號(hào)處理任務(wù)。

　　3 在FPGA開(kāi)發(fā)板上建立LEON2的SoC平臺(tái)

　　3.1 硬件平臺(tái)的建立

　　圖4就是基于LEON2的平臺(tái)的模塊框圖。LE—ON2處理器作為核心部分，片內(nèi)ROM存放Monitor負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和將程序拷貝到片外SRAM內(nèi)的任務(wù)，片外RAM是FPGA開(kāi)發(fā)板上Memory，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的IP核通過(guò)AHB總線和LEON2相互交互。

　　FPGA開(kāi)發(fā)板主要有以下資源：50 MHz有源時(shí)鐘;1塊Altera公司的核心FPGA芯片EP2C20F484一C8，邏輯單元18 752個(gè);2片512 KB的IS61LV25616一AL SRAM芯片組成32 b寬共1 MB容量，其中每片設(shè)計(jì)為可兼容1 MB，總共最大可擴(kuò)充到2 MB;JTAG接口(通過(guò)JTAG接口可以從PC機(jī)上對(duì)EP2C20F484C8進(jìn)行編程);串口與計(jì)算機(jī)COMl相連，可以用于程序下載。

　　將配置好的LEON2的VHDL代碼，加入設(shè)計(jì)的HDL代碼，一起使用Synplify綜合工具生成FPGA的網(wǎng)表文件;然后使用Quartus進(jìn)行布局布線，將LEON2核同片內(nèi)ROM和片外SRAM連接，布局布線完成后生成相應(yīng)的SOF文件;通過(guò)JTAG端口將SOF文件下載到片子上去，對(duì)FPGA硬件進(jìn)行配置，最后占用FPGA資源是5 800個(gè)邏輯單元，可以達(dá)到的時(shí)鐘頻率最大為46 MHz。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　由于Quartus軟件可以預(yù)先配置EP2C20F484C8片上ROM，所以可以在LEON2的片上ROM預(yù)先配置好的1 KB大小的Monitor軟件。Monitor的主要作用是在LEON2系統(tǒng)reset初始化時(shí)首先對(duì)處理器初始化，對(duì)LEON2的存儲(chǔ)配置寄存器進(jìn)行配置;然后向UART口發(fā)送啟動(dòng)信息;等待UART信息。當(dāng)軟件部分使用交叉編譯器LECCS在PC上編譯完畢后，PC機(jī)通過(guò)UART口和FPGA開(kāi)發(fā)板相互通信，就可以將編譯好的srec文件下載到：FPGA開(kāi)發(fā)板上，放置在片內(nèi)ROM里面的Monitor程序就讀入程序的內(nèi)容以及程序的起始地址。開(kāi)始Monitor將srec程序拷貝到SRAM程序區(qū)，等全部程序下載好以后，Monitor最后1條程序就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到程序的起始位置，執(zhí)行SRAM里的程序。這樣就可以反復(fù)修改程序，反復(fù)下載程序，便于軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)將片上系統(tǒng)映射到FPGA，這樣可以在接近運(yùn)行速度的前提下，驗(yàn)證硬件和軟件。這樣不僅為軟件部分能盡早地進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調(diào)試工作提供了原型，同時(shí)也可以在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)一些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有注意的地方。最終可以縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)為ASIC設(shè)計(jì)一次成功提供了更大的把握。

　　在FPGA開(kāi)發(fā)板上建立基于LEON2處理器的SoC平臺(tái)后，使用這個(gè)原型系統(tǒng)，就可以很容易驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，并且加速軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試流程。