防空兵指揮學(xué)院 張春生

基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)研究

防空兵指揮學(xué)院 張春生

一、SOPC簡(jiǎn)介

近年來，隨著微電子工業(yè)的不斷發(fā)展，作為可編程邏輯器件之一的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)性能及性價(jià)比已完全能夠與ASIC抗衡。SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）技術(shù)正是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、LVDS和UART等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的部件集成到一片F(xiàn)PGA器件上，各個(gè)部件一般都以IP核的形式構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，它所具有的靈活性、低成本等特點(diǎn)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者獲益匪淺。

二、SOPC關(guān)鍵技術(shù)

SOPC的主要設(shè)計(jì)技術(shù)可簡(jiǎn)單地歸納為兩點(diǎn)：軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和IP核資源復(fù)用技術(shù)。

1.軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。開發(fā)一個(gè)電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的做法是由項(xiàng)目總工程師根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的劃分，然后交由軟件和硬件兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)組，各自進(jìn)行軟件和硬件的開發(fā)，開發(fā)完成后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，在調(diào)試時(shí)如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)則要對(duì)硬件或軟件進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)，這個(gè)過程要不斷反復(fù)的進(jìn)行，直到調(diào)試成功為止，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致開發(fā)周期變長(zhǎng)、設(shè)計(jì)成本劇增。

在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)中，并行性是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想的核心，軟件和硬件設(shè)計(jì)組不再是兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)單元，而是在設(shè)計(jì)之初便交織在一起，相互提供設(shè)計(jì)平臺(tái)并相互作用。并行的設(shè)計(jì)思想始終貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)之中。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的好處是可以使軟件設(shè)計(jì)者在硬件開發(fā)之初就接觸到硬件，從而能更好地設(shè)計(jì)硬件驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)等軟件，同時(shí)也可使硬件設(shè)計(jì)者盡早地接觸軟件并了解軟件的結(jié)構(gòu)，從而為軟件設(shè)計(jì)者提供高性能的硬件平臺(tái)，減少了設(shè)計(jì)中的盲目性，縮短了設(shè)計(jì)的迭代周期。

2.IP核資源復(fù)用。IP核是SOPC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是SOPC設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，為了能夠最大程度地減小設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，保證SOPC開發(fā)的成功，我們必須采用前人成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)資料即復(fù)用IP資源進(jìn)行開發(fā)。IP資源復(fù)用包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是可重用IP核的開發(fā)；二是可重用IP核的集成。一個(gè)真正能重用的IP核一般具有一以下一些特點(diǎn)：具有可配置性，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)需求；具有標(biāo)準(zhǔn)的接口；遵守某種設(shè)計(jì)規(guī)則，能確保IP時(shí)序收斂；交付的數(shù)據(jù)和資料完整，方便芯片集成。

三、基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)

進(jìn)行SOPC系統(tǒng)開發(fā)，首先是要選擇的是FPGA平臺(tái)、處理器方案以及開發(fā)軟件，目前經(jīng)常采用的是由世界上兩大主要的FPGA器件生產(chǎn)廠商所提供的平臺(tái)：一是Altera公司的FPGA產(chǎn)品，采用Nios處理器軟核或硬核ARM，開發(fā)工具為QuartusⅡ和SOPC Builder；二是采用Xilinx公司的FPGA，基于Microblaze軟核或Powerpc405硬核，開發(fā)工具由ISE和EDK組成。下面就以Xilinx公司的軟件EDK為例介紹SOPC系統(tǒng)的開發(fā)過程。

1.EDK簡(jiǎn)介。EDK是Xilinx公司于2003年推出的一個(gè)SOPC系統(tǒng)開發(fā)套件，現(xiàn)已進(jìn)行了多次升級(jí)。該套件集成了豐富的開發(fā)工具和大量的IP核資源，其中集成的工具包括硬件平臺(tái)生成器（PlatGen）、硬件仿真模型生成器（SimGen）、硬件調(diào)試工具（XMD）、軟件庫(kù)生成器（LibGen）、應(yīng)用軟件編譯工具（GNU Compilers）、軟件調(diào)試工具（GNU Debuggers）等。IP核資源包括LMB、OPB總線接口、外部存儲(chǔ)器控制器（EMC）、SDRAM控制器、UART接口、中斷控制器和定時(shí)器等。所有這些工具和資源由EDK中的一個(gè)叫平臺(tái)工作室XPS（Xilinx Platform Studio）的集成開發(fā)環(huán)境統(tǒng)一管理，XPS提供一個(gè)友好的圖形用戶界面（GUI），使用非常方便。EDK可以說是目前性價(jià)比較優(yōu)異的SOPC開發(fā)套件。

2.基本流程。使用EDK進(jìn)行SOPC系統(tǒng)開發(fā)的基本流程如下。

（1）系統(tǒng)硬件平臺(tái)的創(chuàng)建。系統(tǒng)硬件平臺(tái)由處理器硬件描述文件MHS（Microprocessor Hardware Specification）定義，MHS文件描述了硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如處理器類型、總線結(jié)構(gòu)、外設(shè)接口、中斷處理和地址映射等，MHS文件為文本文件，可以用任何文本編輯器創(chuàng)建，是文本化的原理圖輸入。系統(tǒng)的各組成模塊必須在BEGIN和END之間定義，其語(yǔ)法格式如下所示：

BEGIN instance_name

PARAMETER name=value

PORT name=value

END

在XPS開發(fā)環(huán)境中，設(shè)計(jì)者可以在集成的文本編輯器中自己編寫MHS文件來創(chuàng)建一個(gè)硬件平臺(tái)，也可以利用BSB（Base System Builder）向?qū)韯?chuàng)建一個(gè)基本的硬件系統(tǒng)，在BSB向?qū)У膱D形界面下，設(shè)計(jì)者可以很方便挑選系統(tǒng)的組成模塊，但存在不足是：不允許設(shè)計(jì)者指定或修改地址映射；不會(huì)去檢查目標(biāo)器件上的硬件資源是否足夠且生成的只是一個(gè)具有基本功能硬件系統(tǒng)，不一定能滿足時(shí)序的要求。這些不足必須在XPS環(huán)境下通過手工修改以滿足系統(tǒng)要求。在系統(tǒng)硬件描述文件編寫完成后，調(diào)用硬件平臺(tái)生成器（PlatGen），就可以完成系統(tǒng)硬件平臺(tái)的創(chuàng)建，PlatGen將輸出網(wǎng)表文件（EDIF或NGC）、硬件描述語(yǔ)言描述的系統(tǒng)文件、存儲(chǔ)器映射文件（BMM）等內(nèi)容，其過程如圖1所示。

（2）系統(tǒng)硬件平臺(tái)的仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的仿真驗(yàn)證由處理器驗(yàn)證描述文件MVS（Microprocessor Verification Specification）定義，它用于說明當(dāng)前處理器平臺(tái)的硬件仿真模型、使用的仿真工具和仿真語(yǔ)言。通過調(diào)用硬件仿真模型生成器（SimGen）來生成仿真文件，如圖2所示。EDK只支持功能仿真和時(shí)序仿真，其中功能仿真又包括行為仿真和結(jié)構(gòu)仿真。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)的創(chuàng)建。系統(tǒng)軟件平臺(tái)由處理器軟件描述文件MSS（Microprocessor Software Specification）定義，MSS文件用于描述系統(tǒng)硬件處理器平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、軟件庫(kù)及文件系統(tǒng)，跟MHS文件一樣，它也是個(gè)文本文件，可用任何一個(gè)文本編輯器來創(chuàng)建，其語(yǔ)法格式如下：

BEGIN{driver |processor |filesys}

PARAMETER name= value

END

MSS文件可以在XPS環(huán)境下編寫，同時(shí)BSB向?qū)г谏捎布到y(tǒng)時(shí)也生成一個(gè)相應(yīng)的MSS文件。MSS文件編寫完成后，通過調(diào)用軟件庫(kù)生成器（LibGen）便可完成軟件平臺(tái)的創(chuàng)建，LibGen輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、函數(shù)庫(kù)和中斷句柄等工作。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)與調(diào)試。程序編寫完成后通過調(diào)用應(yīng)用軟件編譯工具GNU進(jìn)行編譯鏈接生成用戶可執(zhí)行文件（*.elf）。程序編譯完成后，將系統(tǒng)的硬件和軟件下載到目標(biāo)器件中，通過硬件調(diào)試工具XMD和GDB進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試。

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