基于FPGA的嵌入式系统设计

图1(a) 数字刀剑®系列之火龙刀

图1(b) 数字刀剑®系列FPGA评估板结构框图

3 基于Xilinx FPGA的嵌入式系统设计 　　

　　3.1 FPGA基本开发流程与开发工具

　　FPGA基本开发流程主要包括设计输入（Design Entry）；设计仿真（Simulation）；设计综合（Synthesize）；布局布线（Place & Route）；配置（Configuration）五个主要步骤。

　　设计输入主要有原理图输入和HDL输入两种方式，一般开发商都同时支持两种输入方式。有些熟悉硬件设计的工程师开始喜欢利用原理图进行设计，这种方法非常直观，但基于可移植性和规范化方面的考虑，绝大部分深入FPGA设计和ASIC设计的工程师最终都将统一到HDL平台上来。

　　设计仿真包含功能仿真和时序仿真两项主要内容，功能仿真忽略了综合和布局布线导致的时延等因素，仅仅从逻辑上进行仿真，这对设计思路的验证是有帮助的，但必须通过时序仿真作进一步验证，发现并修正时序问题。

　　设计综合将HDL语言生成用于布局布线的网表和相应的约束。综合效果直接导致设计的性能和逻辑门的利用效率，因此，许多可编程逻辑器件开发商都 支持第三方综合和仿真工具，著名的有：Synplicity、Synopsys和ModelSim等。

　　布局布线工具利用综合生成的网表，在FPGA内部进行布局布线，并生成可用于配置的比特流文件。布局布线工具与可编程逻辑器件工艺及其布线资源密切相关，一般由可编程逻辑器件开发商直接提供。

　　随着可编程逻辑器件容量的不断增大和设计性能要求的不断提高，对传统的FPGA开发工具提出了挑战。以Xilinx公司为例，应IP Core开发和集成的需要，开发了IP Core使用工具Core Generator和IP Core包装工具IP Capture；提供了模块化设计工具Modular Design用于超大规模设计的团队项目开发；用片内逻辑分析仪ChipScope ILA进行片内逻辑调试；Xpower则用于设计功耗分析并得出相应的解决方案；还有System Generator结合Simulink甚至可以简单地实现数字信号处理模型（如FIR滤波器和FFT等）的FPGA硬件实现。此外，一些有争议的设计工具，如基于C语言的FPGA开发工具DK1等为超大容量FPGA设计和复杂逻辑设计提供了值得尝试的途径。

　　3.2 处理器IP Core：Micro Blaze与PPC405

　　将处理器IP Core嵌入到可编程逻辑器件是基于FPGA的嵌入式系统设计的前提条件，目前，国内外许多单位已成功的将51单片机、ARM和PPC等处理器内核嵌入各种可编程逻辑器件并进行了应用系统的设计，其中最著名的要数Xilinx公司的Micro Blaze和Altera公司的Nois了。Xilinx从Pico Blaze到Micro Blaze，再到PPC405，完成了从8位单片机到32位微处理器的逐步完善和性能提升。

　　Micro Blaze 是一个专门为Xilinx FPGA优化的RISC嵌入式软处理器，符合IBM Core Connect标准，能够与PPC405系统无缝连接，Micro Blaze软处理器内核的结构如图2所示，

图2 Micro Blaze IP Core结构框图

它具备以下基本特征：

　　Ø 32个32bit通用寄存器

　　Ø 硬件乘法器(仅限Virtex II系列)

　　Ø 32bit地址总线和32bit数据总线

　　Ø 三操作数32bit指令字，两种寻址模式

　　Ø 独立的片内程序32bit总线和数据总线

　　Ø 片内总线遵循OPB(On-chip Peripheral Bus)标准

　　Ø 通过LMB(Local Memory Bus)访问片内Block RAM

　　Micro Blaze是一个非常简化，但有具有较高性能的软处理器内核，他可以在性价比很高的Spartan II(-E)系列FPGA上实现，系统时钟频率为75MHZ，仅占用400个Slice资源，相当于10万门FPGA容量的三分之一，而10万门的Spartan II系列FPGA的批量目标市场价格仅为10美元左右，非常适合消费类嵌入式产品应用需求。

　　在Xilinx最新一代FPGA Virtex II Pro中，嵌入了IBM公司的PPC405 RISC结构硬处理器（如图3所示），

图3 PPC405 IP Core结构框图 　　

该处理器内核具备以下特征：

Ø 32位、Harvard结构，300MHZ以上工作频率

　　Ø 支持IBM Core Connect总线标准　　

　　Ø 符合PowerPC UISA标准

　　Ø 低功耗：0.9mW/MHZ

　　Ø 硬件乘法和除法单元

　　Ø 32个32bit通用寄存器

　　Ø 16KB双端口程序缓存

　　Ø 16KB双端口数据缓存

　　Ø 内存管理单元（MMU）支持

　　Ø 独立的调试和跟踪接口

　　PPC405硬处理器内核性能上与现有的EPPC Core完全一致，含有PPC405 Core 的Virtex II Pro系列FPGA还附加了Gbit收发器和18×18硬件乘法器以及庞大的可编程逻辑资源，非常适合于通信、图像信号处理以及复杂应用系统的设计，并提供了更加灵活的设计模式。

　　3.3 基于Micro Blaze和PPC405 Core的SOPC软硬件开发

　　基于嵌入式处理器内核的SOPC系统开发是一个软硬件协同设计的过程，一方面，它极大地提高了系统设计的灵活性和快速的设计迭代周期，使整个开发过程变得更加
可控；另一方面，一些新的调试和设计问题，如逻辑分析仪和数字示波器的接入等，对调试设备和调试手段提出了更高的要求，为了尽可能避免问题的产生，要求有更好的设计工具和集成开发环境，保证IP Core资源的可用性和设计实现的一致性，让设计工程师从烦琐的内部时序调试中解放出来。

　　Xilinx提供了针对Micro Blaze Core应用系统开发的集成开发环境MDK，该开发环境包含了用于硬件描述和系统生成的Platform Generator、用于软件设计和编译的Micro Blaze IDE，GDB调试可通过FPGA配置JTAG接口进行，无需任何附加的调试硬件，配合Foundation ISE4.2和FPGA目标板即可进行全功能开发，MDK还包含了UART、GPIO、Watchdog、Timer/Counter、EMC和中断控制等基本处理器外设库，用户可以添加兼容OPB总线标准的任意IP Core。Insight和依元素科技均提供了功能全面的Micro Blaze Core评估工具。

　　PPC405 Core是一个高性能的处理器内核，它具有独立于FPGA JTAG的调试端口和更加复杂的调试功能，我们甚至可以将基于PPC405 Core的SOPC调试直观地理解为基于IBM PPC405处理器和大容量FPGA的单板机调试，只不过这个单板机无需进行传统的PCB设计和调试，设计迭代过程全部在计算机上进行。PPC405 Core的软件集成开发环境支持传统的IBM PPC405开发环境，Xilinx提供了相应的系统集成开发环境和GNU软件开发工具包支持。第三方软件开发商Wind River和Montvisa已分别宣布其VxWorks和HardHat Linux实时操作系统（RTOS）及其集成开发环境支持Virtex II Pro 系列FPGA，Insight和Avnet已开始销售含有Virtex II Pro FPGA的高端评估板。依元素科技也推出了用于开发PowerPC系列处理器的GNU集成开发工具和利刃®系列调试工具，以及含有PowerPC处理器的原型评估板。