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第八章 基于 FPGA 的可编程嵌入式开发初步

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. 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。

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第八章 基于 FPGA 的可编程嵌入式开发初步

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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 ； • B型指令：一个源寄存器、一个目的寄存器和一个16位的立即数，进行寄存器和立即数间的数据运算。

  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. 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

  23. 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 。

  24. 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

  25. XPS软件的基本操作 • （2）选择工程路径

  26. XPS软件的基本操作 • （3）选择板型

  27. 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。

  28. XPS软件的基本操作 • （5）配置处理器

  29. XPS软件的基本操作 • （6）添加I/O接口

  30. 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 。

  31. XPS软件的基本操作 • （8）软件建立

  32. XPS软件的基本操作 • （9）配置存储器和外围设备的测试应用

  33. XPS软件的基本操作 • （10）创建系统

  34. 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。 XPS的使用请参见9.4-9.6节。

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