可編程片上系統( SoPC)是在可編程邏輯器件的基礎上發展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統設計解決方案,系統設計者可以從傳統的板級系統設計轉換到芯片級系統設計,將系統設計中所需要的各個功能單元以IP ( Intellectual Property)的形式集成到FPGA中,實現集成度更高的嵌入式系統。

Virtex-4系列FPGA是由Xilinx公司推出的包含多個面向特定領域平臺的FPGA產品,各個系列的FPGA通過對嵌入式處理器、高性能DSP功能單元、增強時鐘管理、存儲器、并行和串行I/O、混合信號以及其它功能模塊等的優化組合使其可以滿足特定領域的應用需求。Virtex-4系列的三個平臺分別是:針對邏輯應用的Virtex-4 LX,針對超高性能信號處理的Virtex-4SX,針對嵌入式處理和高速串行連接的Virtex-4 FX。其中Virtex-4 FX系列FPGA主要是為復雜系統應用提供優化,特別是網絡、存儲、電信和嵌入式應用中的高速串行連接和嵌入式處理,在其配套的EDK環境中還為系統設計者提供豐富的總線、時鐘、外設、JTAG口等IP資源,使設計者能夠方便的搭建自己的嵌入式系統。

1　Virtex-4 FX系列FPGA介紹

Virtex-4 FX系列FPGA芯片內至少包含一個PowerPC405處理器核,其功能結構如圖1所示,該處理器核為32位哈佛結構的R ISC硬核,最高工作頻率為400MHz。PowerPC405處理器包括以下功能單元: ( 1)5級數據通道流水線,包括取指、譯碼、執行、寫回、裝入寫回5 級流水段; ( 2 ) 一個虛擬內存管理單元(MMU) ,支持可變頁面大小和寫保護、控制訪問選項;(3)獨立的指令Cache和數據Cache; ( 4)支持調試和跟蹤,包含一個JTAG接口; ( 5)三個可編程計時器。另外, PowerPC 405硬核還具有如下特點: ( 1)支持硬件乘法和除法; ( 2) 32個32位通用寄存器; ( 3) 16KB兩路組相聯方式指令緩存( set-associative) ; (4) 16KB兩路組相聯方式數據緩存、寫回/寫直達; ( 5 ) 實現PowerPC用戶指令集架構(U ISA) ; ( 6)專用的片上存儲器接口(OCM) ; ( 7 )支持IBM CoreConnect總線架構。

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CoreConnect總線架構是由IBM開發的一種片上總線通信連接技術。CoreConnect總線包括處理器局部總線( PLB) 、片上外設總線(OPB)和設備控制寄存器總線(DCR) 。PLB總線為主設備和從設備之間提供高帶寬、低延遲的連接,OPB總線為連接具有不同總線寬度和時序要求的外設提供了一條途徑,減少了對PLB性能的影響,DCR總線用來控制PowerPC405處理器中的通用寄存器和設備寄存器之間的數據傳輸。

2　基于SoPC的嵌入式系統設計技術

2. 1　平臺技術

在平臺的基礎上來構建嵌入式系統為設計者提供了極大的便利, Xilinx 推出的嵌入式開發工具包( EDK)集成了諸如硬件平臺產生器(platgen) 、硬件仿真模型產生器( SimGen) 、軟件平臺產生器( libgen) 、應用軟件編譯工具(GNU Compiler) 、軟件調試工具(GNU Debugger) 等一系列工具。設計者可以通過集成在EDK環境下的Xilinx平臺工作室(XPS)方便的調用各種工具進行基于SoPC的嵌入式系統設計。EDK環境下為系統設計者提供了豐富的IP資源,可利用現有的資源迅速搭建自己的嵌入式系統,完成整個PowerPC系統硬件的開發。如果開發工具包提供的IP庫不能滿足系統設計者的需求,設計者也可定制自己的IP。圖2所示為EDK開發環境圖形界面。

EDK環境為其自帶的IP提供了相應的驅動程序及相關的函數,設計者可以通過調用這些函數加快應用程序的開發。對于設計者自行研制的IP,則需要編寫相應的驅動程序。應用程序編寫完成后,調用EDK下的GNU工具,編譯連接生成可執行文件,再將硬件、軟件文件結合在一起,產生可下載的位流文件下載到FPGA,使用Xilinx 微處理器調試工具(XMD ) 連接GNU調試工具進行應用程序調試,在確認應用程序正確無誤,能實現系統功能之后,即可將位流文件轉換成PROM的配置文件(MCS文件) 下載到目標板上的PROM,從而完成整個設計開發。圖3為利用EDK工具進行嵌入式系統開發的流程。

2. 2　系統架構及硬件設計

基于SoPC的嵌入式系統設計過程中,系統設計者首先要明確設計需求,這對于整個設計具有指導性作用,也是將來設計完成后檢驗設計是否可用的標準之一。系統設計者根據設計需求來確定其系統架構,定義系統主要模塊組成,決定其接口類型、總線結構、硬件功能及軟件功能,完備的系統架構定義要能滿足基本的設計需求,并能最大限度的提高系統整體性能。