在SoPC可編程片上系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)RTOS操作系統(tǒng)的移植

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（On？chip 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。

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。

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（On？chip 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。

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)。