基于FPGA的嵌入式串行千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)
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本系統(tǒng)基于Xilinx公司嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具EDK12．3完成軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。EDK12．3由XPS(Xilinx Platform Studio)、SDK(Software Development Kit)等組成。設(shè)計(jì)時(shí)需在XPS環(huán)境下添加所需的IP核，生成硬件系統(tǒng)框架，并添加相應(yīng)的引腳約束和時(shí)序約束，然后調(diào)用Plat gen生成嵌入式系統(tǒng)硬件部分的網(wǎng)表(．NGC)文件和比特(．bit)文件，并通過(guò)軟件描述文件(．MSS文件)來(lái)設(shè)置系統(tǒng)軟件配置；接著將硬件設(shè)計(jì)導(dǎo)入到SDK中，并在SDK中生成各個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)層和庫(kù)，設(shè)置相應(yīng)軟件的操作系統(tǒng)、庫(kù)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)的屬性，添加應(yīng)用軟件項(xiàng)目并編寫(xiě)應(yīng)用軟件；最后，調(diào)用處理器對(duì)應(yīng)的編譯器編譯軟件并和硬件可執(zhí)行文件合成后，生成最終的二進(jìn)制比特文件，下載到目標(biāo)板進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。
2 PowerPC的硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用的FPGA內(nèi)嵌硬核處理器PowerPC440屬于32位精簡(jiǎn)指令集嵌入式處理器，它采用擴(kuò)展型Book-E結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包括一個(gè)高性能、可雙指令處理并有七級(jí)流水線的微內(nèi)核。同時(shí)，具有靈活的存儲(chǔ)器管理單元(MMU)、3個(gè)相互獨(dú)立的128位PLB總線接口、4個(gè)直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)(DMA)控制單元，以及設(shè)備控制寄存器(DCR)等。它集成了32 KB指令和32 KB數(shù)據(jù)緩存，在550 MHz時(shí)鐘頻率下可提供高達(dá)1100 DMIPS的性能。在本設(shè)計(jì)中，PowerPCA40通過(guò)PLB總線與外設(shè)端口相連，其硬件架構(gòu)如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/153698.htm
系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建(包括PowerPC處理器功能配置、系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的地址映射)均在EDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境XPS中完成。
設(shè)計(jì)中采用片內(nèi)高速數(shù)據(jù)總線PLB連接各種控制IP核，PowerPC440通過(guò)PLB總線完成對(duì)內(nèi)部IP核以及外設(shè)的訪問(wèn)和控制功能。其中，外部PHY芯片通過(guò)與在FPGA內(nèi)部例化EMAC核(Ethernet MAC)相連，掛載在PLB總線上，完成SGMII鏈路的建立；DDR II芯片通過(guò)IP核多端口存儲(chǔ)控制器(Multiport Memory Controller，MPMC)掛載在PLB總線上，實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)功能；串口通過(guò)串口控制器IP核(Xps_uartlite)與PLB總線相連，用于打印輸出調(diào)試狀態(tài)信息；8個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)DIP和LED燈分別通過(guò)GPIO口與PLB總線相連，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制與狀態(tài)顯示功能。
硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
本系統(tǒng)使用時(shí)鐘生成器IP核生成系統(tǒng)各模塊工作時(shí)所需時(shí)鐘。該IP核模塊的輸入時(shí)鐘為FPGA全局時(shí)鐘引腳輸入的100 MHz時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的倍頻，生成400 MHz的PowerPC440工作時(shí)鐘，生成200 MHz的DDR Il工作時(shí)鐘以及125 MHz的Ethernet MAC工作時(shí)鐘。
在各模塊添加及連接結(jié)束后，需添加UCF約束文件，包括FPGA引腳約束和相應(yīng)的時(shí)序約束等，并對(duì)XPS自動(dòng)生成的微處理器硬件規(guī)范MHS文件進(jìn)行相應(yīng)的修改，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。生成的系統(tǒng)在綜合、布局、布線無(wú)誤后生成最終的．bit文件，準(zhǔn)備下載到電路板上。
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