基于SoPC的FPGA集成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

可編程片上系統(tǒng)( SoPC)是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計解決方案,系統(tǒng)設(shè)計者可以從傳統(tǒng)的板級系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)換到芯片級系統(tǒng)設(shè)計,將系統(tǒng)設(shè)計中所需要的各個功能單元以IP ( Intellectual Property)的形式集成到FPGA中,實現(xiàn)集成度更高的嵌入式系統(tǒng)。

Virtex-4系列FPGA是由Xilinx公司推出的包含多個面向特定領(lǐng)域平臺的FPGA產(chǎn)品,各個系列的FPGA通過對嵌入式處理器、高性能DSP功能單元、增強時鐘管理、存儲器、并行和串行I/O、混合信號以及其它功能模塊等的優(yōu)化組合使其可以滿足特定領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Virtex-4系列的三個平臺分別是:針對邏輯應(yīng)用的Virtex-4 LX,針對超高性能信號處理的Virtex-4SX,針對嵌入式處理和高速串行連接的Virtex-4 FX。其中Virtex-4 FX系列FPGA主要是為復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用提供優(yōu)化,特別是網(wǎng)絡(luò)、存儲、電信和嵌入式應(yīng)用中的高速串行連接和嵌入式處理,在其配套的EDK環(huán)境中還為系統(tǒng)設(shè)計者提供豐富的總線、時鐘、外設(shè)、JTAG口等IP資源,使設(shè)計者能夠方便的搭建自己的嵌入式系統(tǒng)。

1　Virtex-4 FX系列FPGA介紹

Virtex-4 FX系列FPGA芯片內(nèi)至少包含一個PowerPC405處理器核,其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示,該處理器核為32位哈佛結(jié)構(gòu)的R ISC硬核,最高工作頻率為400MHz。PowerPC405處理器包括以下功能單元: ( 1)5級數(shù)據(jù)通道流水線,包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫回、裝入寫回5 級流水段; ( 2 ) 一個虛擬內(nèi)存管理單元(MMU) ,支持可變頁面大小和寫保護、控制訪問選項;(3)獨立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache; ( 4)支持調(diào)試和跟蹤,包含一個JTAG接口; ( 5)三個可編程計時器。另外, PowerPC 405硬核還具有如下特點: ( 1)支持硬件乘法和除法; ( 2) 32個32位通用寄存器; ( 3) 16KB兩路組相聯(lián)方式指令緩存( set-associative) ; (4) 16KB兩路組相聯(lián)方式數(shù)據(jù)緩存、寫回/寫直達; ( 5 ) 實現(xiàn)PowerPC用戶指令集架構(gòu)(U ISA) ; ( 6)專用的片上存儲器接口(OCM) ; ( 7 )支持IBM CoreConnect總線架構(gòu)。

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CoreConnect總線架構(gòu)是由IBM開發(fā)的一種片上總線通信連接技術(shù)。CoreConnect總線包括處理器局部總線( PLB) 、片上外設(shè)總線(OPB)和設(shè)備控制寄存器總線(DCR) 。PLB總線為主設(shè)備和從設(shè)備之間提供高帶寬、低延遲的連接,OPB總線為連接具有不同總線寬度和時序要求的外設(shè)提供了一條途徑,減少了對PLB性能的影響,DCR總線用來控制PowerPC405處理器中的通用寄存器和設(shè)備寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2　基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

2. 1　平臺技術(shù)

在平臺的基礎(chǔ)上來構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)為設(shè)計者提供了極大的便利, Xilinx 推出的嵌入式開發(fā)工具包( EDK)集成了諸如硬件平臺產(chǎn)生器(platgen) 、硬件仿真模型產(chǎn)生器( SimGen) 、軟件平臺產(chǎn)生器( libgen) 、應(yīng)用軟件編譯工具(GNU Compiler) 、軟件調(diào)試工具(GNU Debugger) 等一系列工具。設(shè)計者可以通過集成在EDK環(huán)境下的Xilinx平臺工作室(XPS)方便的調(diào)用各種工具進行基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。EDK環(huán)境下為系統(tǒng)設(shè)計者提供了豐富的IP資源,可利用現(xiàn)有的資源迅速搭建自己的嵌入式系統(tǒng),完成整個PowerPC系統(tǒng)硬件的開發(fā)。如果開發(fā)工具包提供的IP庫不能滿足系統(tǒng)設(shè)計者的需求,設(shè)計者也可定制自己的IP。圖2所示為EDK開發(fā)環(huán)境圖形界面。

EDK環(huán)境為其自帶的IP提供了相應(yīng)的驅(qū)動程序及相關(guān)的函數(shù),設(shè)計者可以通過調(diào)用這些函數(shù)加快應(yīng)用程序的開發(fā)。對于設(shè)計者自行研制的IP,則需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。應(yīng)用程序編寫完成后,調(diào)用EDK下的GNU工具,編譯連接生成可執(zhí)行文件,再將硬件、軟件文件結(jié)合在一起,產(chǎn)生可下載的位流文件下載到FPGA,使用Xilinx 微處理器調(diào)試工具(XMD ) 連接GNU調(diào)試工具進行應(yīng)用程序調(diào)試,在確認應(yīng)用程序正確無誤,能實現(xiàn)系統(tǒng)功能之后,即可將位流文件轉(zhuǎn)換成PROM的配置文件(MCS文件) 下載到目標(biāo)板上的PROM,從而完成整個設(shè)計開發(fā)。圖3為利用EDK工具進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程。

2. 2　系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中,系統(tǒng)設(shè)計者首先要明確設(shè)計需求,這對于整個設(shè)計具有指導(dǎo)性作用,也是將來設(shè)計完成后檢驗設(shè)計是否可用的標(biāo)準(zhǔn)之一。系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)設(shè)計需求來確定其系統(tǒng)架構(gòu),定義系統(tǒng)主要模塊組成,決定其接口類型、總線結(jié)構(gòu)、硬件功能及軟件功能,完備的系統(tǒng)架構(gòu)定義要能滿足基本的設(shè)計需求,并能最大限度的提高系統(tǒng)整體性能。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的設(shè)計需求是在板級多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊的基礎(chǔ)上提出的,通過對板級器件的IP化,將原有板上芯片以IP的形式集成到FPGA中,用單片集成電路實現(xiàn)原板級電路的設(shè)計。根據(jù)板級多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提出了如圖4所示的基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)圖,該嵌入式系統(tǒng)集成了PowerPC405處理器、串行通信總線協(xié)議處理器,具有實時時鐘(RTC) 、看門狗(WDT) 、計時器( TIMER)功能,可實現(xiàn)GJB289A-97(數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線)中規(guī)定的RT/BC功能,支持實現(xiàn)ISBC協(xié)議(改進的靜態(tài)總線控制協(xié)議) ,通過方式選擇分別支持LBE總線訪問、VME總線訪問、PC I總線訪問(通過PLX9054 橋接器) 、PCI-Express總線訪問(通過PEX8311橋接器)四
種主機接口訪問方式。

硬件設(shè)計過程中,系統(tǒng)設(shè)計者在XPS圖形界面下調(diào)用現(xiàn)成的IP庫,搭建SoPC的硬件環(huán)境,通過硬件平臺產(chǎn)生器(p latgen)生成硬件文件,其中PowerPC405處理器、雙口存儲器、SRAM、串行通信總線協(xié)議處理單元掛接在PLB總線上;實時時鐘(RTC) 、看門狗(WDT) 、計時器(TIMER) 、外部總線接口( EB I) 、通用輸入輸出接口( GPIO) 、串口控制器(UART)掛接在OPB 總線上;通用中斷控制器(UIC) 、仲裁器和PLB /OPB 橋的寄存器通過DCR總線訪問。硬件架構(gòu)搭建起后通過硬件仿真模型產(chǎn)生器( SimGen)對硬件的功能進行仿真。

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2. 3　軟件設(shè)計

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中,軟件設(shè)計者要明確嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)硬件配置,諸如內(nèi)存地址映射關(guān)系,硬件寄存器配置等,這將決定開發(fā)出的嵌入式軟件是否具備實用性。嵌入式軟件的設(shè)計通常包括CPU啟動代碼,系統(tǒng)初始化代碼,硬件自測試程序,設(shè)備驅(qū)動程序,實時操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等,根據(jù)不同的系統(tǒng)需求,軟件包含的內(nèi)容稍有差異。軟件設(shè)計階段,設(shè)計者將選擇出編譯和調(diào)試工具并完成編程。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的軟件由初始化程序、自測試程序、BC /RT控制程序組成?；赟oPC的嵌入式軟件開發(fā)是在EDK環(huán)境下采用C語言編程實現(xiàn)的,通過軟件平臺產(chǎn)生器( libgen) 、應(yīng)用軟件編譯工具(GNU Compiler)編譯連接得到可執(zhí)行文件,該文件可與生成的硬件位流文件通過JTAG接口一起下載到FPGA 運行,也可先將位流文件固化到外部PROM中,應(yīng)用軟件的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成二進制文件固化到外部FLASH中,系統(tǒng)上電后自動加載硬件邏輯并將應(yīng)用軟件搬家到SRAM運行。各部分軟件完成如下的功能:初始化程序完成CPU初始化及相關(guān)功能單元的初始化;自測試程序完成系統(tǒng)的上電自測試和內(nèi)部自檢; BC /RT控制程序完成該嵌入式系統(tǒng)作為BC或RT時的數(shù)據(jù)傳輸控制?；赟oPC的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計可以并行開展,利用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想,可加快整個嵌入式設(shè)計的速度。

2. 4　測試驗證

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的測試驗證用來保證系統(tǒng)不存在軟件和硬件上的缺陷。軟件測試驗證旨在通過執(zhí)行軟件并觀察其行為是否滿足設(shè)計要求,而硬件測試驗證則包括了確保硬件能夠?qū)ν庠诘募钭鞒稣_的響應(yīng)并能正確的執(zhí)行軟件。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口中復(fù)雜的軟硬件結(jié)構(gòu)及其種類繁多的IP資源,使得該系統(tǒng)的測試驗證工作也變得復(fù)雜。在測試驗證過程中,采用多級測試驗證技術(shù),首先對各單一模塊進行仿真測試,進行軟硬件協(xié)同驗證,再通過集成各個功能模塊進行系統(tǒng)集成驗證,最后進行板級驗證。在進行系統(tǒng)各模塊功能驗證時,軟件可以作為硬件測試的信號源,針對各個模塊都編寫相應(yīng)的C語言測試向量,進行功能覆蓋率測試。在單一功能模塊驗證測試的基礎(chǔ)上,將各模塊集成為一個完整的系統(tǒng),對整個系統(tǒng)進行集成測試。進行板級驗證時,可以運行更為完整、更接近實際應(yīng)用的C程序測試向量,使得測試更全面、更可靠。圖5所示為板級驗證平臺示意圖。

3　結(jié)束語

本文通過對Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA的介紹,分析了其內(nèi)嵌的PowerPC405處理器的體系結(jié)構(gòu)及CoreConnect總線的特點,通過基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的硬、軟件設(shè)計技術(shù)和驗證技術(shù)的介紹,更好地闡述了基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。在基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中,通過單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)多片專用芯片的功能,減少器件數(shù)目,縮小系統(tǒng)面積,增加系統(tǒng)可靠性,達到了對板級多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊小型化、集成化的目的?；赟oPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計以其數(shù)據(jù)處理速度快、集成度高、開發(fā)周期短、應(yīng)用靈活方便等特點,相信在航空航天領(lǐng)域?qū)玫綇V泛的應(yīng)用。