《基于XILINX FPGA嵌入式系统设计与开发》第七章

zhang1998

《基于XILINX FPGA嵌入式系统设计与开发》第七章

第七章 嵌入式软核MicroBlaze

从本章开始，我们将系统的介绍Xilinx MicroBlaze，包括MicroBlaze系统结构、LMB总线、PLB总线、A**线、FSL及其开发环境XPS和SDK。

7.1可编程片上系统

可编程片上系统芯片SOPC（System On a Programmable Chip）是Altera公司于2000年提出的一种灵活高效的SOC解决方案，SOPC利用可编程逻辑技术把整个电子系统集成在一个单片上，是一种特殊的嵌入式系统芯片。与可编程逻辑器件一样，SOPC的设计也仅需完成前端设计，故其设计投入比较少，设计方法灵活，SOPC的系统功能可裁减、易扩充，结合了SOC和CPLD、FPGA的优点。作为一种系统级芯片，SOPC具有低的设计成本和开发风险，从而获得广泛的应用。

7.1.1 硬核处理器

硬核处理器，如PowerPC、arm处理器。硬核处理器的优势在于工作频率高，接口丰富。硬核处理器在可编程器件中不能进行裁剪，用户不能对其进行修改，同时也一直固化在可编程逻辑器件中。因此在选择FPGA器件时需要考虑器件对硬核处理器的支持。目前Xilinx公司支持硬核处理器的器件有Virtex-4，Virtex-5。对于ARM来说，Xilinx公司最新的Zynq-7000已经支持ARM® Cortex™-A9 MPCore。

7.1.2 软核处理器

软核处理器，如Xilinx公司的MicroBlaze、Altera公司的Nios II。软核处理器的最大优势是在于用户可行裁剪设计。软核处理器一般都是可配置的通用RISC处理器，很容易的与用户设计的逻辑相结合，集成到Xilinx/Altera FPGA器件中。

7.1.3 可编程片上系统优缺点

随着微电子工艺的迅速发展，可编程器件资源规模越来越大。在拥有大规模的逻辑资源、存储资源、dsp资源后，相比以前的规模，可编程逻辑器件可以做更多事情。将软核、硬核和用户逻辑资源进行无缝的连接，可缩短系统产品的开发周期、降低设计风险和成本。但是，对于大容量的可编程器件，必定需要更多的供电电源、IO管脚。因此，在板级设计，必须考虑信号完整性。在逻辑设计，逻辑开发人员需要注意时序约束的问题。

7.2 MicroBlaze介绍

MicroBlaze™ 在基于 FPGA 的软核处理器领域中处于业界领先地位，可提供高级架构选项，如 AXI 或 PLB 接口、存储器管理单元 (MMU)、指令和数据端缓存、可配置的流水线深度和浮点单元 (FPU) 等。MicroBlaze 是Xilinx免费提供的32位 RISC哈佛架构软核处理器。它具有极其灵活的架构以及丰富的指令集，是专为嵌入式应用优化而设计的，能够以最低系统成本为开发人员提供精密的处理系统。

7.2.1 MicroBlaze系统构架

作为完整的cpu，通过Xilinx公司提供的软核开发环境，用户可以根据需求进行自定义配置，对于Xilinx XPS 13.2软件支持的软核版本为V8.2，目前最新的版本为V8.4(XPS 14.4)。了解MicroBlaze基本结构不但有助于用户了解配置，还可以在开发过程中，更深入的优化软核配置及其软件效率。对于开发者而言，选择不同的器件，得到软核的性能是不一样的。如表7-1所示，Blaze在各个器件中的性能。

表7-1 MicroBlaze性

MicroBlaze 处理器 v8.40.b 的性能级别 (v14.4 XPS)
器件系列	性能优化的MicroBlaze 添加分支优化功能 (5 级流水线) 1.38 Dmips/MHz	性能优化的MicroBlaze (5 级流水线) 1.30 DMIPs/MHz	面积优化的MicroBlaze (3 级流水线) 1.03 DMIPS/MHz
Zynq-7000 SoC (-3)	228DMIPs	259DMIPs	196DMIPs
Virtex-7 FPGA (-3)	293DMIPs	393DMIPs	264DMIPs
Kintex-7 FPGA (-3)	317DMIPs	408DMIPs	264DMIPs
Virtex-6 FPGA (-3)	306DMIPs	384DMIPs	246DMIPs
Spartan-6 FPGA (-4)	166DMIPs	209DMIPs	152DMIPs

MicroBlaze软核采用了RISC架构，以及哈佛结构的32位指令和数据总线。其结构如图7-1所示。

图7-1 MicroBlaze结构示意图

MicroBlaze结构由下述部分组成

• ALU，完成大部分指令执行；
• Shift，移位寄存器，执行普通的左移、右移指令；
• Barrel Shift，桶形移寄存器，执行桶形移位指令；
• Multiplier，乘法器，MicroBlaze提供32*32位定点乘法器单元，支持流水线操作；
• Divider，除法器，MicroBlaze提供一个32*32位定点除法器单元；
• Special Purpose Registers，特殊寄存器组；
• Registers File，通用寄存器组，由32个32位寄存器组成，标号为R0~R31；
• MicroBlaze总线接口由包括了数据总线、指令总线，支持IBM PLB总线和ARM A**线以及本地总线LMB。
  

MicroBlaze内核有如下特性与选项，

• 容错性，其中包括纠错码 (ECC) 和锁步支持
• LMB BRAM 存储器
• 对内部 BRAM 和高速缓存进行校检保护
• 浮点单元 (FPU)
• IEEE 754 兼容的
• 单精度
• 内存管理单元（MMU）
• 带有受 Linux 支持的虚拟存储器的全 MMU
• MPU 模式，可以实现安全 RTOS 应用的区域保护
• 指令和数据高速缓存
• 高速缓存尺寸可配置：2kB - 64kB（基于块 RAM）
• Microcache 尺寸可配置：64B – 1024B（基于分布式 RAM）
• 直接映射的直写或回写操作
• Victim 高速缓存尺寸可配置：2、4或8条高速缓存线路
• 指令流缓冲器
• 分支优化
• 分支预测逻辑
• 分支目标高速缓存
• 执行硬件加速
• 柱式移位器（单周期操作）
• 整除（32 周期操作）
• 乘法（单周期操作）
• 指令集扩展
• 模式比较指令
• 机器状态寄存器设置和清空
• 原子存取
• 提供 Endian 转换支持
• 硬件异常支持
• 非对齐访问
• 非法指令
• 数据总线误差
• 指令总线误差
• 除法异常
• 浮点异常
• FSL 异常
• MMU 异常
• 中断信号-边缘或电平
• 调试逻辑
• 通过调试支持内核实现 JTAG 控制
• 硬件断点多达8个
• 硬件监视点多达8个
  

7.2.2 基于MicroBlaze系统开发流程

对于MicroBlaze开发，我们主要是在Xilinx提供的EDK环境(包括XPS构建硬件平台、SDK编写软件应用程序)进行开发，对于系统级构建，可以联合ISE进行，相互嵌套。

在Xilinx MicroBlaze开发中，开发者可以自定义处理器中的硬件逻辑子系统，这种定制是不能使用标准的现场微处理器或者控制芯片。硬件平台可以灵活设计为嵌入式系统中的子模块。硬件平台是由一个或者多个处理器core通过总线和外围设备相连接，XPS软件对其硬件平台的描述文件(Microprocessor Hardware Specification, .MHS)进行跟踪。

在软件开发时，板级支持包(Board Support Package, BSP)，是集软件驱动器、操作系统(可选)来建立开发者的应用程序。在创建软件之前，硬件平台导入SDK时，必须建立BSP。Xilinx 嵌入式开发流程如图7-2所示。

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