可編程片上系統(tǒng)( SoPC)是在可編程邏輯器件的基礎上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)設計解決方案,系統(tǒng)設計者可以從傳統(tǒng)的板級系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)換到芯片級系統(tǒng)設計,將系統(tǒng)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(xiàn)集成度更高的嵌入式系統(tǒng)。

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(chǎn)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(yōu)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(tǒng)應用提供優(yōu)化,特別是網(wǎng)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(huán)境中還為系統(tǒng)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(tǒng)。

1　Virtex-4 FX系列FPGA介紹

Virtex-4 FX系列FPGA芯片內(nèi)至少包含一個PowerPC405處理器核,其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示,該處理器核為32位哈佛結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)通道流水線,包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫回、裝入寫回5 級流水段; ( 2 ) 一個虛擬內(nèi)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(shù)據(jù)Cache; ( 4)支持調(diào)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(lián)方式指令緩存( set-associative) ; (4) 16KB兩路組相聯(lián)方式數(shù)據(jù)緩存、寫回/寫直達; ( 5 ) 實現(xiàn)PowerPC用戶指令集架構(gòu)(U ISA) ; ( 6)專用的片上存儲器接口(OCM) ; ( 7 )支持IBM CoreConnect總線架構(gòu)。

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CoreConnect總線架構(gòu)是由IBM開發(fā)的一種片上總線通信連接技術(shù)。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(shù)據(jù)傳輸。

2　基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)

2. 1　平臺技術(shù)

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

EDK環(huán)境為其自帶的IP提供了相應的驅(qū)動程序及相關的函數(shù),設計者可以通過調(diào)用這些函數(shù)加快應用程序的開發(fā)。對于設計者自行研制的IP,則需要編寫相應的驅(qū)動程序。應用程序編寫完成后,調(diào)用EDK下的GNU工具,編譯連接生成可執(zhí)行文件,再將硬件、軟件文件結(jié)合在一起,產(chǎn)生可下載的位流文件下載到FPGA,使用Xilinx 微處理器調(diào)試工具(XMD ) 連接GNU調(diào)試工具進行應用程序調(diào)試,在確認應用程序正確無誤,能實現(xiàn)系統(tǒng)功能之后,即可將位流文件轉(zhuǎn)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(fā)。圖3為利用EDK工具進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程。

2. 2　系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設計

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設計過程中,系統(tǒng)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(tǒng)設計者根據(jù)設計需求來確定其系統(tǒng)架構(gòu),定義系統(tǒng)主要模塊組成,決定其接口類型、總線結(jié)構(gòu)、硬件功能及軟件功能,完備的系統(tǒng)架構(gòu)定義要能滿足基本的設計需求,并能最大限度的提高系統(tǒng)整體性能。