在嵌入式系統(tǒng)中，很容易在系統(tǒng)核心找到 FPGA。這是因?yàn)?FPGA 能同時(shí)并行執(zhí)行多個(gè)功能，并具有確定性的響應(yīng)。很多嵌入式系統(tǒng)還包含一個(gè)處理器，用來處理通信任務(wù)、內(nèi)務(wù)管理、調(diào)度任務(wù)以及通常在軟件中執(zhí)行的其他任務(wù)。

這種 FPGA 與處理器的組合會(huì)增加系統(tǒng)的 SWAP-C。SWAP-C 是指解決方案的尺寸、重量、功耗和成本。顯然，同時(shí)使用處理器和 FPGA 不僅會(huì)增加材料成本，同時(shí)還會(huì)增加偶生工程成本(NRE)。此外，設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作變得更加復(fù)雜。兩個(gè)器件還需要更多板級(jí)空間，這會(huì)增大解決方案的尺寸和重量。電源結(jié)構(gòu)也比只用一個(gè)器件時(shí)復(fù)雜，這進(jìn)一步影響 SWAP-C。

盡管難以用軟件驅(qū)動(dòng)的處理器來實(shí)現(xiàn)通常由 FPGA 執(zhí)行的功能，但在 FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)處理器,通常能讓設(shè)計(jì)大受裨益。

對(duì)于在賽靈思 FPGA 中實(shí)現(xiàn)處理器，我們有多個(gè)選擇：

PicoBlaze– 8 位高確定性微控制器（見賽靈思中國(guó)通訊 54 期，“充分發(fā)揮 PicoBlaze 微控制器的優(yōu)勢(shì)。”）

MicroBlaze– 32 位 RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理器，可針對(duì)眾多應(yīng)用在性能和面積方面進(jìn)行定制。

Zynq UltraScale MPSoC 和 Zynq-7000 SoC將硬化的嵌入式 ARM 處理器和可編程邏輯完美集成在單個(gè)芯片上。（如需了解有關(guān) Zynq-7000 SoC 使用方面的信息,敬請(qǐng)查閱MicroZed Chronicles）

本文中，我們將深入了解如何在 FPGA 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)賽靈思 MicroBlaze 處理器以減小 SWAP-C。

什么是 MicroBlaze

MicroBlaze 是 32 位軟核處理器。這意味著它是一款可先定制,然后綜合，最后布局布線到目標(biāo) FPGA 的邏輯資源中的軟 IP 核。每個(gè) MicroBlaze 處理器實(shí)例都是自定義的，包含 FPU（浮點(diǎn)單元）、MMU（存儲(chǔ)器管理單元）以及指令與數(shù)據(jù)緩存這樣的高級(jí)特性。

用戶可在 MicroBlaze 處理器上運(yùn)行一系列操作系統(tǒng)，包括 FreeRTOS、Micrium uc/OSiii 和 Linux。用戶還可以運(yùn)行裸機(jī)代碼。實(shí)例的軟特性可確保不存在過時(shí)問題。簡(jiǎn)而言之，MicroBlaze 處理器是一款功能非常強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具。

創(chuàng)建 MicroBlaze 系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn) MicroBlaze 處理器是賽靈思 Vivado HL WebPACK 版本的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能。

首先要做的是在 Vivado 中創(chuàng)建新項(xiàng)目，并添加一個(gè)新的方框圖。然后，我們可以從 IP Catalog 中選擇添加 MicroBlaze 處理器核。一旦我們將 MicroBlaze 處理器放在方框圖中，應(yīng)針對(duì)所需的性能對(duì)其進(jìn)行自定義。打開要自定義的 MicroBlaze 處理器后，會(huì)出現(xiàn)五個(gè)處理器自定義頁面中的第一個(gè)。在第一頁中，我們可以為處理器核選擇所需的性能，如圖 1 所示。本例中，我們將開發(fā)一個(gè)高性能 MicroBlaze 處理器。

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圖 1：選擇 MicroBlaze 的配置。

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)，我們需要以下 IP 核：

MIG（存儲(chǔ)器接口生成器）– 提供 DDR 存儲(chǔ)器接口

AXI UART lite – 雙擊它可設(shè)置 RS232 選項(xiàng)。默認(rèn)設(shè)置是 9600bps，無奇偶校驗(yàn)位，一個(gè)停止位。

AXI 定時(shí)器

AXI 中斷控制器 – 需要一個(gè)連接模塊驅(qū)動(dòng)來自定時(shí)器和 AXI UART lite 的中斷。

用于 AXI 數(shù)據(jù)和指令緩存的 AXI BRAM 控制器和 BRAM

用于輸出 166.667MHz 時(shí)鐘和 333MHz 時(shí)鐘的時(shí)鐘向?qū)?/p>

MicroBlaze 調(diào)試模塊

用于連接定時(shí)器和 UART 的 AXI 外設(shè)互連

用于連接 MIG (DDR) 和 AXI BRAM 控制器的 AXI 存儲(chǔ)器互連

針對(duì) MicroBlaze 時(shí)鐘域的處理器復(fù)位系統(tǒng)

針對(duì)存儲(chǔ)器接口生成器時(shí)鐘域的處理器復(fù)位系統(tǒng)

這些模塊的連接架構(gòu)如以下的圖 2 所示：

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圖 2：高級(jí)方框圖

我們將 100MHz 時(shí)鐘作為時(shí)鐘向?qū)У妮斎耄撓驅(qū)Ю?MMCM（混合模式時(shí)鐘管理器）生成 100MHz、166.667MHz 和 200MHz 的時(shí)鐘。MicroBlaze 處理器將采用 MMCM 的 100MHz 輸出來運(yùn)行，而其他時(shí)鐘將被用于存儲(chǔ)器接口生成器。下面的表 1 和表 2 給出了 AXI 互連的配置：

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表 1：外設(shè) AXI 互連，時(shí)鐘和復(fù)位配置

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表 2：存儲(chǔ)器 AXI 互連，時(shí)鐘和復(fù)位配置

配置 DDR 存儲(chǔ)器

我們正在開發(fā)高性能 MicroBlaze 系統(tǒng)，因此我們希望能從 DDR SDRAM 執(zhí)行我們的程序，并且還能使用更多特殊功能（包括 DMA），這樣 MicroBlaze 處理器能夠處理所捕獲的數(shù)據(jù)。DDR 存儲(chǔ)器接口由于其復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)要求而難以實(shí)現(xiàn)，但是賽靈思 MIG 可以自動(dòng)生成 AXI 總線與 DDR SDRAM 之間的 DDR 接口。

MIG 在 IP Catalog 中提供，通過對(duì)它進(jìn)行自定義，我們可以選擇想要的時(shí)鐘頻率、目標(biāo)存儲(chǔ)器設(shè)備、存儲(chǔ)器選項(xiàng)、終止計(jì)劃以及引腳分配。圖 3 給出了目標(biāo) DDR 設(shè)備的選擇。盡管開始看起來比較復(fù)雜，但其實(shí)很容易上手和使用，而且運(yùn)行快速。

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圖 3：MIG 選擇目標(biāo)設(shè)備

根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)接口進(jìn)行自定義后，本例中我們需要提供兩個(gè)時(shí)鐘：200MHz 參考時(shí)鐘和 166.667MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘。

設(shè)計(jì)中所有模塊都根據(jù)需求進(jìn)行了自定義，我們可以創(chuàng)建 RTL 包裝器并重新生成輸出，這樣就能構(gòu)建系統(tǒng)并開發(fā)第一個(gè)應(yīng)用。

開發(fā)軟件

完成項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)并獲得數(shù)字文件后，我們可以打開實(shí)現(xiàn)后的設(shè)計(jì)，并將 HDF 和數(shù)字文件導(dǎo)出至 SDK。現(xiàn)在，我們已準(zhǔn)備好創(chuàng)建軟件應(yīng)用。

如果是第一次打開 SDK，那么軟件會(huì)詢問你想使用哪個(gè)工作空間。工作空間是存儲(chǔ)項(xiàng)目和相關(guān)軟件項(xiàng)目文件（例如板支持包 (BSP) 和硬件定義）的區(qū)域。

要啟動(dòng)并在 SDK 中運(yùn)行，我們需進(jìn)行以下操作：

創(chuàng)建硬件定義項(xiàng)目

為硬件定義創(chuàng)建 BSP

創(chuàng)建應(yīng)用

構(gòu)建應(yīng)用

定義調(diào)試環(huán)境，以使我們能夠通過 JTAG 鏈路在開發(fā)板上運(yùn)行應(yīng)用

第一步是導(dǎo)入硬件定義。要在 Vivado 中進(jìn)行此操作，應(yīng)從 SDK 菜單中選擇 file -> new -> other。這會(huì)打開一個(gè)對(duì)話框，如圖 4 所示。選擇 Xilinx 文件夾下的“Hardware Platform Specification”

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圖 4：選擇硬件平臺(tái)規(guī)范

在下個(gè)對(duì)話框中輸入項(xiàng)目名稱。比較好的方法是始終命名為 project_HW，以清楚標(biāo)明。瀏覽至 Vivado 項(xiàng)目中包含 HDF 文件的目錄。注意，這在 Vivado 項(xiàng)目下的 .sdk 文件夾內(nèi)。

這樣可創(chuàng)建硬件規(guī)范，并出現(xiàn)在 SDK 左側(cè)的項(xiàng)目瀏覽器中。這個(gè)項(xiàng)目中，你可打開 HDF 文件，并查看所有存儲(chǔ)器映射的外設(shè)的地址。

利用創(chuàng)建的硬件平臺(tái)，我們現(xiàn)在就可創(chuàng)建 BSP。這里面包含用來驅(qū)動(dòng)和控制硬件的驅(qū)動(dòng)程序和 API。我們可選擇 file -> new -> board support package，以創(chuàng)建 BSP。這將打開一個(gè)對(duì)話框，我們可以逐頁設(shè)置。

輸入項(xiàng)目名稱。注意它如何關(guān)聯(lián)我們剛創(chuàng)建的硬件平臺(tái)。本例中，我們使用獨(dú)立的操作系統(tǒng)。這會(huì)打開一個(gè) BSP 的設(shè)置彈出窗口。在這里，我們不需要做任何修改，但是如果需要，可以添加一些選項(xiàng)，例如輕量級(jí) IP 協(xié)議棧等。

在獨(dú)立頁面中，我們還可為編譯器選擇 stdin 和 stdout。確保將它設(shè)置成 AXI UART。

此時(shí)，我們就可以創(chuàng)建自己的應(yīng)用了。本例中，我使用“hello world”簡(jiǎn)單模板。我們?cè)?SDK 中選擇 -> new -> application project ，以創(chuàng)建應(yīng)用項(xiàng)目。這將打開一個(gè)對(duì)話框，我們可以在對(duì)話框中選擇之前創(chuàng)建的 BSP，以及硬件定義和我們針對(duì)的處理器。（本例中只有一個(gè)。）

通過這些步驟，我們可以創(chuàng)建一個(gè)通過 UART 輸出“hello world”字符串的簡(jiǎn)單應(yīng)用。選擇“build all”以構(gòu)建 BSP 和應(yīng)用項(xiàng)目，并產(chǎn)生一個(gè) ELF 文件，你可以下載這個(gè)文件并在硬件上運(yùn)行。

在硬件上運(yùn)行

我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)調(diào)試環(huán)境，然后點(diǎn)擊下載 ELF 文件。為此，右鍵點(diǎn)擊應(yīng)用項(xiàng)目并選擇 Debug As -> Debug Configurations。這將打開一個(gè)對(duì)話框，如圖 5 所示，在此創(chuàng)建一個(gè)新的調(diào)試環(huán)境。我們希望創(chuàng)建一個(gè)新的 GBD 調(diào)試應(yīng)用。

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圖 5：創(chuàng)建調(diào)試配置

提供一個(gè)名稱，在接近底部的下拉菜單中選擇“Reset Processor”。我們還需要點(diǎn)擊“Debugger applications”標(biāo)簽，并將“stop at main() when debugging.”選項(xiàng)取消選中，以確保應(yīng)用程序下載后自動(dòng)運(yùn)行。最后，點(diǎn)擊apply，而非調(diào)試，然后關(guān)閉。

首先要做的是對(duì) FPGA 編程。我們?cè)?Xilinx Tools -> Program FPGA 下進(jìn)行此操作。對(duì) FPGA 編程后，就可以下載 ELF 文件。點(diǎn)擊頂部菜單上的“bug”圖標(biāo)，這樣就可使用剛剛創(chuàng)建的調(diào)試配置。

下載后，你可以看到軟件運(yùn)行，而且“hello world”消息出現(xiàn)在所選的終端程序中。

結(jié)論

構(gòu)建 MicroBlaze 系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，而且容易實(shí)現(xiàn)，開發(fā)系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件也同樣如此。如果你想降低系統(tǒng)的 SWAP-C，那么 MicroBlaze 處理器可以幫到你。