针对FPGA的完全可配置嵌入式32位RISC处理器

使用嵌入式微处理器的FPGA设计不断增长。根据Dataquest的统计，一年大约启动10万个FPGA设计项目，其中约30％包含某种形式的微处理器。

形成这种趋势有几个方面的原因。首先，数据流应用更适合可编程硬件，同时嵌入式微处理器更适合于执行控制流的应用。第二，要改变设计时，嵌入式处理器呈现更大的灵活性。最后，用软核的嵌入式微处理器消除了处理器过时的风险。从传统上而言，对嵌入式FPGA微处理器有一些限制，包括成本，速度和设计性能。随着工艺技术和设计技术的进步，这些限制正在不断改善，现在设计人员更有可能在他们的应用中考虑使用嵌入式FPGA微处理器。

与过去相比，现成的微处理器已经大大比嵌入式微处理器便宜。但是，今天的低成本FPGA被证明是一个节约成本的解决方案。如果设计中已经使用了FPGA，处理器可以整合到现有的FPGA架构，节省了分立器件或新的FPGA成本。设计周期也是一个重要的因素。将硬件与微处理器子系统构成相关的架构并进行实施能有多快？编写，测试和在微处理器上调试运行的代码需要多久？在过去几年中，在整体功能和易用性方面，针对嵌入式微处理器开发的软件工具也有了明显的改善。因此，现在可以在几分钟内运行设计，并且进行测试。产品上市的时间缩短了，因为现在用软件实现功能比硬件更快，更简单。

用现成的微处理器达到的性能有良好的历史记录。随着技术的改进，FPGA在功能和整个系统的速度方面有了显著的进步。由于现在的FPGA能够处理更大的带宽，嵌入式处理器对于许多设计有很大的吸引力。此外，由于FPGA与其他专用模块的紧密配合，软IP核的扩展性提供了一个系统接口，就性能和吞吐量方面而言，现在一个片上处理器可以提供卓越的设计方案。

当评估诸如LatticeMico32这样的特殊处理器时，使用嵌入式软处理器的优点非常清楚。

一个典型的嵌入式处理器子系统

让我们来看看一个典型的嵌入式处理器子系统，例如，LatticeMico32软处理器。该处理器需要有能与外界通信的功能，因此通常核连接到一个片上总线系统，在此情况下是WISHBONE开放源代码总线。然后还需要一个存储系统，用来保存处理器程序代码以及处理器核使用的数据。对外部通信而言，在一个典型的系统中有各种接口，从简单的通信接口和连接、更复杂的协议到应用中的专用硬件模块。现在该处理器总线架构需要连接外设和存储器系统。一个典型的系统如图1所示。

图1 典型的嵌入式RISC处理器子系统

让我们来看看处理器核本身：LatticeMico32是基于哈佛总线结构的RISC架构的微处理器（图2）。 RISC体系结构提供了一个简单的指令集和更快的性能。哈佛总线架构提供独立的指令和数据总线，能够执行单周期指令。该处理器拥有32个通用寄存器，可处理多达32个外部的中断。定制的处理器可以插入乘法器或桶形移位器，以及不同的调试功能。

图2 LatticeMico32：一个可配置的RISC处理器核

Mico32可以用于各种存储系统，同时使用内嵌存储器用于存储指令和数据。内嵌存储器可以建立一个本地哈佛结构，并允许单周期访问指令和数据。对于更大的存储器需求，处理器通过一个仲裁器连接到其他的存储器模块或接口。这可以是用FPGA的存储器资源来实现的 “片上”存储器，或接口至外部存储器，诸如SSRAM、Flash和DRAM。处理所有访问协议至外部存储器的合适接口模块是由MSB提供的。提供可选的指令和数据高速缓存，能够配置成各种选择（高速缓存的大小，高速缓存块的大小等等）。

通过一个开放源码Wishbone总线接口，该处理器连接到各种外围元件。针对快速周转周期，图形用户界面可以轻松和快速地创建处理器平台。除了标准存储器控制器，这可能包括各种接口，不仅支持I2C、通用IO、定时器，UART以及SPI，还能支持更复杂的模块，如PCI接口或TriSpeed以太网MAC。

直接存储器访问（DMA）控制器是可用的，添加主器件（master）至Wishbone总线，以免除处理器的数据传输工作。这也允许有DMA功能的外设高效地直接传输数据到存储系统，从而节省了片上总线的带宽。

除了外围元件和DMA，用户可以自定义仲裁方案。总线结构产生器支持主器件（master）方和从器件(Slave)方的总线仲裁。如果能够满足系统性能的要求，主器件方总线仲裁提供了一个简单的低成本解决方案。然而，如果在设计中有多个总线主器件和多个从器件，在任何时间主器件方总线仲裁限制与单总线主器件通信。在许多设计中，通过两个或两个以上的总线主器件同时与独立的从器件进行通信，从器件方仲裁改进了性能。图3展示了可用的仲裁方案。　

图3 仲裁方