基于嵌入式處理器的Virtex FPGA板級(jí)支持包設(shè)計(jì)

具有嵌入式處理器的平臺(tái)FPGA提供很大的靈活性、集成度和高性能。目前，在單個(gè)可編程邏輯器件中開(kāi)發(fā)極其復(fù)雜且高度定制化的嵌入式系統(tǒng)已成為可能。隨著芯片性能的不斷增加，如何使設(shè)計(jì)方法始終高效、多產(chǎn)，成為人們面臨的主要挑戰(zhàn)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵活動(dòng)之一是板級(jí)支持包（BSP）。利用BSP，可以使嵌入式軟件應(yīng)用程序成功地初始化，并與連接到處理器的硬件資源進(jìn)行通信。典型的BSP組件包括引導(dǎo)代碼、器件驅(qū)動(dòng)程序代碼和初始化代碼。

創(chuàng)建BSP是一個(gè)冗長(zhǎng)而繁復(fù)的過(guò)程，并且每當(dāng)微處理器與處理器和相關(guān)的外設(shè)的組合有所變更時(shí)都得再次創(chuàng)建。對(duì)FPGA而言，短的設(shè)計(jì)周期加上平臺(tái)的靈活性，會(huì)使得管理BSP的任務(wù)更為艱巨（圖1）。這就迫使人們尋找更有效地管理BSP的方法。

設(shè)計(jì)流程和軟件BSP生成

賽靈思處理器的設(shè)計(jì)包含硬件平臺(tái)集結(jié)流程和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程。這些流程都通過(guò)XPS（Xilinx Platform Studio）工具加以管理，該工具屬于賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件（EDK）的一部分。

設(shè)計(jì)通常始于在XPS中集結(jié)與配置處理器及與其相連接的器件。定義好硬件平臺(tái)后，就可以配置系統(tǒng)的軟件參數(shù)了。XPS的一個(gè)主要特點(diǎn)是，它可以根據(jù)你對(duì)處理器、外設(shè)和嵌入式操作系統(tǒng)的選擇和配置來(lái)定制BSP。系統(tǒng)通過(guò)硬件設(shè)計(jì)的迭代改變而發(fā)展，同時(shí)BSP隨著平臺(tái)而發(fā)展。

自動(dòng)生成的BSP可賦予嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者以下能力：自動(dòng)創(chuàng)建與硬件設(shè)計(jì)完全匹配的BSP；使用預(yù)認(rèn)證的組件消除BSP設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；立即啟動(dòng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，提高設(shè)計(jì)者的效率。

創(chuàng)建用于VxWorks的BSP

XPS可生成用于賽靈思Virtex-II Pro和Virtex-4 FPGA中的PowerPC 405處理器及其外設(shè)的定制Tornado 2.0.x（VxWorks5.4）或Tornado 2.2.x（VxWorks5.5）BSP。生成的BSP包含系統(tǒng)必需的所有支持軟件，包括引導(dǎo)代碼、器件驅(qū)動(dòng)程序和VxWorks初始化。

圖1：平臺(tái)FPGA靈活性要求軟件BSP產(chǎn)生過(guò)程更高效

在XPS定義完具有PowerPC 405處理器的硬件系統(tǒng)后，只需遵循以下三個(gè)步驟即可生成用于VxWorks的BSP：

1. 使用軟件設(shè)置對(duì)話框選擇要為系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)。XPS用戶可選擇VxWorks5.4或VxWorks5.5作為其目標(biāo)操作系統(tǒng)。

2. 選擇了操作系統(tǒng)后，可轉(zhuǎn)到資料庫(kù)/操作系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)簽，根據(jù)定制硬件調(diào)整Tornado BSP。你可以選擇系統(tǒng)中的任意UART器件作為標(biāo)準(zhǔn)I/O器件（標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出）。這將使該器件被用作VxWorks控制器件。

你還可以選擇將哪些外設(shè)作為連接外設(shè)，將哪些器件緊密集成到VxWorks操作系統(tǒng)。例如，賽靈思10/100以太網(wǎng)MAC可以集成到VxWorks增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序（END）接口?；蛘卟槐貙⒁蕴W(wǎng)器件連接到END接口，而從VxWorks應(yīng)用程序直接訪問(wèn)它。

3. 選擇“工具》生成庫(kù)”和BSP菜單選項(xiàng)，生成Tornado BSP。生成的BSP與傳統(tǒng)的Tornado BSP相似，位于ppc405_0/bsp_ppc405_0下的“Platform Studio”目錄中（見(jiàn)圖2）。注意ppc405_0為硬件設(shè)計(jì)中PowerPC 405處理器的實(shí)例名。XPS用戶可指定其它實(shí)例名，此時(shí)BSP的子目錄名稱會(huì)匹配處理器實(shí)例名。

圖2：生成的BSP目錄結(jié)構(gòu)

通過(guò)XPS生成的Tornado BSP具有一個(gè)“Makefile”文件，如果希望使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，可在命令行修改此文件。

Tornado BSP是完全獨(dú)立的，并可以轉(zhuǎn)移到其它目錄位置，如BSP的標(biāo)準(zhǔn)Tornado安裝目錄：target/config。

定制BSP

由XPS生成的用于VxWorks的BSP與大多數(shù)其它Tornado BSP相似，只是賽靈思器件驅(qū)動(dòng)程序代碼的位置有所不同。與Tornado相關(guān)的現(xiàn)成器件驅(qū)動(dòng)程序代碼通常位于Tornado分布目錄的 target/src/drv目錄中，而由XPS自動(dòng)生成的BSP的器件驅(qū)動(dòng)程序代碼位于BSP目錄本身中。

基于FPGA的嵌入系統(tǒng)之動(dòng)態(tài)特性是造成此微小差別的原因。因?yàn)榛贔PGA的嵌入系統(tǒng)可以用新的或更改后的IP重新編程，器件驅(qū)動(dòng)程序可以改變，因此就需要對(duì)器件驅(qū)動(dòng)程序源文件進(jìn)行更為動(dòng)態(tài)的放置。圖2為自動(dòng)生成的BSP目錄樹(shù)，賽靈思器件驅(qū)動(dòng)程序放置在BSP子目錄ppc405_0_drv_csp/xsrc中。

賽靈思器件驅(qū)動(dòng)程序在C盤(pán)中執(zhí)行并分布在數(shù)個(gè)源文件中，這點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的、通常由單個(gè)C頭文件和執(zhí)行文件組成的VxWorks驅(qū)動(dòng)程序。此外，對(duì)于器件驅(qū)動(dòng)程序，既有獨(dú)立于操作系統(tǒng)的執(zhí)行，又有可選的依賴于操作系統(tǒng)的執(zhí)行。

驅(qū)動(dòng)程序的操作系？？立部分應(yīng)同任何操作系統(tǒng)或處理器一起使用。它提供了一種應(yīng)用程序接口（API），能提取基礎(chǔ)硬件的功能。驅(qū)動(dòng)程序的操作系統(tǒng)附屬部分對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行調(diào)整，使其得以在VxWorks之類(lèi)的操作系統(tǒng)下使用，例如串行端口使用的Serial IO驅(qū)動(dòng)程序和以太網(wǎng)控制器使用的END驅(qū)動(dòng)程序。只有能被緊密集成到標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)接口的驅(qū)動(dòng)程序才要求操作系統(tǒng)附屬驅(qū)動(dòng)程序。

賽靈思驅(qū)動(dòng)程序源文件加入VxWorks映像構(gòu)件的方式同其它BSP文件加入的方式相同。針對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，在BSP目錄中都有一個(gè)名為 ppc405_0_drv_.c的文件。此文件包括針對(duì)給定器件的驅(qū)動(dòng)程序源文件（*.c），并自動(dòng)由BSP makefile編譯。

該過(guò)程與VxWorks sysLib.c針對(duì)風(fēng)河系統(tǒng)（Wind River）提供的驅(qū)動(dòng)程序納入源文件的過(guò)程相似。賽靈思驅(qū)動(dòng)程序文件不像其余驅(qū)動(dòng)程序一樣單純納入sysLib.c的原因，在于命名空間的沖突和可維護(hù)性問(wèn)題。如果所有的賽靈思驅(qū)動(dòng)程序文件都是單個(gè)編譯單元的一部分，那么靜態(tài)功能和數(shù)據(jù)就不再處于保密狀態(tài)了。這會(huì)對(duì)器件驅(qū)動(dòng)程序產(chǎn)生限制，也會(huì)抵消其操作系？？立性。

與Tornado IDE集成

自動(dòng)生成的BSP被集成到 Tornado IDE。BSP可從命令行使用“Tornado make”工具編譯，或從“Tornado Project”編譯。生成BSP后，只需在命令行鍵入“make VxWorks”來(lái)編譯可啟動(dòng)的RAM映像。這是假定此前已設(shè)置了Tornado環(huán)境（此設(shè)置可以在Windows操作平臺(tái)上在命令行使用 host/x86-win32/bin/torVars.bat來(lái)完成）。如果你使用的是“Tornado Project”器件，可以在新生成的BSP的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，然后使用通過(guò)IDE提供的構(gòu)件環(huán)境編譯此BSP。

Tornado 2.2.x不僅支持Gnu編譯器，還支持Diab編譯器。XPS創(chuàng)建的Tornado BSP有一個(gè)“Makefile”，如果你想使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，則可以在命令行修改此“Makefile”。尋找稱為“工具”的生成變量，將值設(shè)置到Diab而不是Gnu。如果使用“Tornado Project”工具，項(xiàng)目最初創(chuàng)建時(shí)可選擇所需的編譯器。

文件“50ppc405_0.cdf”位于BSP目錄下，并在創(chuàng)建BSP的過(guò)程中加以更改。此文件將器件驅(qū)動(dòng)程序融入了Tornado IDE菜單系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)程序在“硬件》外圍器件”子文件夾處與BSP結(jié)合在一起。在其下面是單獨(dú)的器件驅(qū)動(dòng)程序文件夾。

“Tornado Project Facility”的“文件”標(biāo)簽也會(huì)顯示用來(lái)將賽靈思器件驅(qū)動(dòng)程序與Tornado構(gòu)建過(guò)程結(jié)合在一起的文件數(shù)量。這些文件由XPS自動(dòng)創(chuàng)建，你只需要知道其存在就行。

一些常用器件與操作系統(tǒng)緊密結(jié)合，而其它器件可通過(guò)直接使用器件驅(qū)動(dòng)程序從應(yīng)用程序？？問(wèn)。與 VxWorks緊密結(jié)合的器件驅(qū)動(dòng)程序包括：10/100以太網(wǎng)MAC；10/100以太網(wǎng)Lite MAC；1Gb以太網(wǎng)MAC；16550/16？50 UART；UART Lite；中斷控制器；System ACE技術(shù)；PCIe。

所有其它器件及相關(guān)的器件驅(qū)動(dòng)程序并未緊密集成到VxWorks接口，而只是與其松散集成。對(duì)這些器件的訪問(wèn)可通過(guò)從用戶應(yīng)用程序直接訪問(wèn)相關(guān)器件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行。

本文小結(jié)

隨著基于嵌入式處理器的FPGA日益受人喜愛(ài)并得到廣泛應(yīng)用，能將硬件和軟件流程有效組織在一起的工具解決方案應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)幫助設(shè)計(jì)者工作效率跟上芯片的進(jìn)展起到了關(guān)鍵作用。

賽靈思用戶一直非常認(rèn)可XPS及其與VxWorks 5.4和5.5的集成。賽靈思將對(duì)Wind River流程的開(kāi)發(fā)予以不懈支持，此流程不久就會(huì)包括對(duì)VxWorks 6.0和Workbench IDE的支持。