基于MicroBlaze软核的FPGA片上系统设计

4 MicroBlaze的应用
　　在软件无线电系统中，一般采用“微处理器+协处理器”结构。微处理器一般使用通用DSP，主要完成系统通信和基带处理等工作;协处理器用FPGA实现，主要完成同步和预处理等底层算法的运算任务。在本课题中，采用的基带处理算法比较简单，应用软处理器IP核代替DSP，在一片FPGA内就能实现整个系统的设计。这样可以简化系统的结构，提高系统的整体性能。
　　本课题的系统设计如图7和图8所示，FPGA片上系统主要完成两个任务—发送和接收数据。对于发送任务，FPGA完成硬件算法的初始化，接收串口数据，并将数据存储在双口SRAM中，系统硬件算法部分对双口SRAM中数据进行基带处理，并将结果送给D/A转换器。对于接收任务，FPGA接收A/D转换器送来的数据，进行基带处理，并将数据存储在双口SRAM中，把存储在双口SRAM中的数据通过串口发送回主机。
                               
                　　在EDK开发套件的XPS集成开发环境下进行系统硬件设计。在其界面环境下，添加IP核，进行系统连接和各项参数设置。由于系统中包含的硬件算法模块不是标准模块，因此工程需要设置成子模块方式，利用平台产生器，根据硬件描述文件(.MHS文件)，生成嵌入式系统子模块的网表文件(.NGC)。然后在ISE设计环境下，从外部通过GPIO端口与硬件算法模块相连，从而构成整个应用系统的硬件模型。
　　


　　在EDK中，每一个外设IP模块都有自己的软件函数库。利用Libgen工具，将所需外设函数数库的头文件添加进工程中，通过调用这些函数可以操作和控制这些外设。例如对串口的操作如下：
　　//初始化串口，设置波特率等参数，清空发送和接收缓冲，禁止中断;
　　XuartLite_Initialize(&UART，XPAR_MYUARTLITE_DEVICE_ID);
　　//发送接收数据
　　XuartLite_Send(&UART,&send_data,1);XUartLite_Recv(&UART,&recv_data,1);
　　


　　使用标准C语言进行应用程序的开发，编写相应的算法软件，完成系统功能。软件流程如图9所示。
　　将编写的程序代码利用mb-gcc编译工具，根据系统的软件一并，生成.ELF文件。在编译链接之前，若选择调试方式，就会在生成文件中加入调试接口SMDstub，进行程序的硬件调试。
　　利用系统的硬件模型以及RAM块的组织结构文件、ELF文件和用户结束文件，应用FPGA综合实现工具(如Xilinx XST)进行综合，然后下载生成的配置BIT文件
　　到目标板上。利用EDK中提供的GDB调试工具可以进行程序调试。有两种调试方法：软件仿真和硬件调试。软件仿真可以进行程序的功能调试，在开发工具内部就可以进行，不需要硬件支持。硬件调试就是通过JTAG接口或串口(可在硬件设计时选择)，连接到目标板上的应用系统中的XMD调试接口，将软件程序下载到系统中进行调试。本课题使用的目标板上的主芯片为Xilinx Spartan IIE 30万门的FPGA，系统时钟为50MHz。实际运行完全满足设计要求。
　　结语
　　采用FPGA和MicroBlaze进行嵌入式系统设计，实现了多片专用芯片的功能，大大缩小了接收机体积，便于系统实现小型化、集成化。捕获及跳频同步等算法采用硬件实现，加快了捕获跟踪速度。实验结果表明，FPGA系统设计是正确可行的。如果在系统中配置大容量的SDRAM，加入以太网或USB等高速通信接口，将实时操作系统运行于处理器上，就可以构建一个较为完善的，基于FPGA的嵌入式系统。这将在网络、通信、消费类产品等多方面有着广阔的应用前景。