第八章 基于FPGA的可编程嵌入式开发初步

Presentation on theme: "第八章 基于FPGA的可编程嵌入式开发初步"— Presentation transcript:

1 第八章 基于FPGA的可编程嵌入式开发初步
可配置嵌入式系统 Xilinx嵌入式开发系统 MicroBlaze PowerPC IP和及驱动 EDK软件 XPS软件的基本操作

2 可配置嵌入式系统 FPGA在嵌入式系统中获得广泛应用
状态机模式：可以无外设、无总线结构和无实时操作系统，达到最低的成本，应用于VGA、LCD控制等，根据用户设计可达到不同的性能。 单片机模式：包括一定的外设，可以利用实时操作系统和总线结构，以中等的成本，应用于控制和仪表，达到中等的性能。 定制嵌入模式：高度集成扩充的外设，实时操作系统和总线结构，达到高性能，应用于网络和无线通信等。 采用90nm生产工艺之后，FPGA器件处理能力更强，且成本低、功耗少，已取代了相当数量的中小规模ASIC器件和处理器，使嵌入式系统具备片上系统（SOC）的规模和动态可编程的能力，具有明显的优势，成为嵌入式应用的主力军之一。

3 可配置嵌入式系统 Xilinx解决方案 PicoBlaze：8位处理器软核，用汇编语言编写的程序经过编译后放入FPGA的BlockRam存储区。 MicroBlaze：32位流水线RISC结构，包含32个32位通用寄存器和1个可选的32位移位寄存器，时钟可达150MHz。 PowerPC：32位PowerPC嵌入式环境架构。Virtex II Pro、Virtex 4、Virtex 5系列部分芯片中集成了2~4个PowerPC 405处理器核。

4 可配置嵌入式系统 开发工具 嵌入式开发套件（EDK）：用于设计嵌入式可编程系统的全面的解决方案，该套件包括了嵌入式软件工具（Platform Studio）以及嵌入式 IBM PowerPC硬件处理器核和/或Xilinx MicroBlaze软处理器核进行Xilinx平台FPGA设计时所需的技术文档和IP。 Xilinx公司提供了大量的硬件平台（评估板），提供了大量的软、硬件设计参考。

5 Xilinx嵌入式开发系统 MicroBlaze 支持CoreConnect总线的标准外设集合 ；
RISC架构，哈佛结构32位指令和数据总线 最精简的核只需要将近400个Slice 。

6 Xilinx嵌入式开发系统 MicroBlaze 通用寄存器 特殊寄存器 PC、MSR

7 Xilinx嵌入式开发系统 MicroBlaze 指令集 A型指令 ：两个源寄存器和一个目的寄存器，完成寄存器到寄存器间的数据运算 ；

8 Xilinx嵌入式开发系统 MicroBlaze 三级流水

9 Xilinx嵌入式开发系统 PowerPC 采用CoreConnect技术，可运行在100-133MHz的高带宽64位总线 ；
独立的指令缓存和数据缓存、1个JTAG端口、Trace FIFO、多个定时器和一个内存管理单元（MMU）； 集成了辅助处理器单元控制器（APU），可直接控制FPGA架构内的硬件指令协处理 ； 不占用FPGA内部任何逻辑资源 。

10 Xilinx嵌入式开发系统

11 Xilinx嵌入式开发系统 PowerPC 通用寄存器

12 Xilinx嵌入式开发系统 PowerPC 专用寄存器：计数寄存器、连接寄存器、调试资源、计数器、中断寄存器等 。多数是应用程序不能访问的。
机器状态寄存器：处理器的工作状态，允许用户修改。 条件寄存器：可分为8个区域（CR0-CR7），每区域包含4个比特，可用于控制所有的条件分支。应用软件可访问所有的CR数值 。 芯片控制寄存器：配置、控制和读取外部处理器，可在特殊软件中通过mtdcr和mfdcr指令来访问。

13 Xilinx嵌入式开发系统 PowerPC 指令集 执行指令的速度接近每周期执行一条指令

14 Xilinx嵌入式开发系统 PowerPC 五级流水 取指、译码、执行、写回、加载写回

15 Xilinx嵌入式开发系统 常用的IP核以及设备驱动 通用I/O设备 中断控制器设备 定时器 外部存储器控制器 以太网、串口等通信设备
均以IP Core的形式给出，信号、时序、函数参见9.2.3节。

16 Xilinx嵌入式开发系统 嵌入式系统设计方案 MicroBlaze系统架构

17 Xilinx嵌入式开发系统 嵌入式系统设计方案 PowerPC系统架构

18 Xilinx嵌入式开发系统 系统地址分配 MicroBlaze：32位地址，其中0x0000_0000 ~ 0x0000_0017用于特殊处理，0x0000_0018 ~ 0xFFFF_FFFF是用户可用的部分，LMB存储器从地址0x0000_0018开始。 PowerPC：32位地址，其中每一个PowerPC都有其系统引导（boot）区，地址为0xFFFF_FFFC，缺省的可用空间为0xFFFF_0000 ~ 0xFFFF_FFFF。 

19 EDK软件 嵌入式开发套件 Embedded Development Kit（EDK）
自带了许多工具和IP，可以用来设计完整的嵌入式处理器系统； 包括Xilinx平台工作室XPS和软件开发套件SDK ； 只有安装了ISE软件，才能正常运行EDK，且二者的版本要一致。 安装过程类似于ISE。

20 EDK软件 EDK的组成 XPS：用来设计嵌入式处理器系统硬件部分的开发环境或GUI，是系统设计者构建 Xilinx嵌入式系统时必用的工具套件。在XPS中，可以完成嵌入式系统架构的创建、软件代码的编写、设计的编译以及FPGA芯片的硬件配置。 SDK：集成的开发环境，基于Eclipse。它支持C/C++，用于嵌入式软件应用的开发和验证。 其它EDK部分： 用于Xilinx嵌入式处理器的硬IP； 用于嵌入式软件开发的驱动和库； 在MicroBlaze和PowerPC处理器上用于C/C++软件开发的GNU编译器和调试器； 有关文档以及一些工程样例等。

21 EDK软件 基于EDK的开发流程

22

23 EDK软件 EDK的文件管理架构 板级支持包Board Support Package（BSP） XMP工程文件
MHS文件和其它的硬件平台元素 MSS文件和其它的软件平台元素 UCF文件 CMD文件 修改最多的是assignfile指令和program指令 SDK工程文件 一个XPS嵌入式系统而言，可能有多个相应的SDK工程

24 XPS软件的基本操作 XPS的启动 单独启动：专门用于设计完备的嵌入式系统 。
ISE中通过双击Embedded Processor类型的源文件来打开 ：可将嵌入式设计作为ISE设计的一个子模块 。

25 XPS软件的基本操作 利用基本系统创建器（BSB）创建新工程 （1）启动XPS

26 XPS软件的基本操作 （2）选择工程路径

27 XPS软件的基本操作 （3）选择板型

28 XPS软件的基本操作 （4）选择处理器 内部集成了PowerPC内核的FPGA芯片（Virtex-2 Pro以上部分型号）可以选择PowerPC或Microblaze，否则只能选择Microblaze。

29 XPS软件的基本操作 （5）配置处理器

30 XPS软件的基本操作 （6）添加I/O接口

31 XPS软件的基本操作 （7）添加内部外围设备
如果开发板的部分外设在XPS中并没有提供，那么就需要通过用户通过HDL语言实现自定制底层接口逻辑，再将其作为外设导入到XPS中。 如果开发板上的设备在XPS库中都能找到，可以跳过这一步骤 。

32 XPS软件的基本操作 （8）软件建立

33 XPS软件的基本操作 （9）配置存储器和外围设备的测试应用

34 XPS软件的基本操作 （10）创建系统

35 XPS软件的基本操作 （11）设计生成 “Finish”，XPS即与所创建的系统相关联。至此，就完成了一个新系统工程的创建过程。