基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸入主要有原理圖輸入和HDL輸入兩種方式，一般開發(fā)商都同時(shí)支持兩種輸入方式。有些熟悉硬件設(shè)計(jì)的工程師開始喜歡利用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方法非常直觀，但基于可移植性和規(guī)范化方面的考慮，絕大部分深入FPGA設(shè)計(jì)和ASIC設(shè)計(jì)的工程師最終都將統(tǒng)一到HDL平臺(tái)上來。

設(shè)計(jì)仿真包含功能仿真和時(shí)序仿真兩項(xiàng)主要內(nèi)容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導(dǎo)致的時(shí)延等因素，僅僅從邏輯上進(jìn)行仿真，這對(duì)設(shè)計(jì)思路的驗(yàn)證是有幫助的，但必須通過時(shí)序仿真作進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并修正時(shí)序問題。

設(shè)計(jì)綜合將HDL語言生成用于布局布線的網(wǎng)表和相應(yīng)的約束。綜合效果直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)的性能和邏輯門的利用效率，因此，許多可編程邏輯器件開發(fā)商都支持第三方綜合和仿真工具，著名的有：Synplicity、Synopsys和ModelSim等。

布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行布局布線，并生成可用于配置的比特流文件。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關(guān)，一般由可編程邏輯器件開發(fā)商直接提供。

隨著可編程邏輯器件容量的不斷增大和設(shè)計(jì)性能要求的不斷提高，對(duì)傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)工具提出了挑戰(zhàn)。以Xilinx公司為例，應(yīng)IP Core開發(fā)和集成的需要，開發(fā)了IP Core使用工具Core Generator和IP Core包裝工具IP Capture；提供了模塊化設(shè)計(jì)工具M(jìn)odular Design用于超大規(guī)模設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目開發(fā)；用片內(nèi)邏輯分析儀ChipScope ILA進(jìn)行片內(nèi)邏輯調(diào)試；Xpower則用于設(shè)計(jì)功耗分析并得出相應(yīng)的解決方案；還有System Generator結(jié)合Simulink甚至可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理模型（如FIR濾波器和FFT等）的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。此外，一些有爭(zhēng)議的設(shè)計(jì)工具，如基于C語言的FPGA開發(fā)工具DK1等為超大容量FPGA設(shè)計(jì)和復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)提供了值得嘗試的途徑。

3.2 處理器IP Core：Micro Blaze與PPC405將處理器IP Core嵌入到可編程邏輯器件是基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件，目前，國內(nèi)外許多單位已成功的將51單片機(jī)、arm和PPC 等處理器內(nèi)核嵌入各種可編程邏輯器件并進(jìn)行了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中最著名的要數(shù)Xilinx公司的Micro Blaze和Altera公司的Nois了。Xilinx從Pico Blaze到Micro Blaze，再到PPC405，完成了從8位單片機(jī)到32位微處理器的逐步完善和性能提升。

Micro Blaze 是一個(gè)專門為Xilinx FPGA優(yōu)化的RISC嵌入式軟處理器，符合IBM Core Connect標(biāo)準(zhǔn)，能夠與PPC405系統(tǒng)無縫連接，Micro Blaze軟處理器內(nèi)核的結(jié)構(gòu)如圖2所示，

圖2 Micro Blaze IP Core結(jié)構(gòu)框圖

它具備以下基本特征：32個(gè)32bit通用寄存器硬件乘法器（僅限Virtex II系列）

32bit地址總線和32bit數(shù)據(jù)總線三操作數(shù)32bit指令字，兩種尋址模式獨(dú)立的片內(nèi)程序32bit總線和數(shù)據(jù)總線片內(nèi)總線遵循OPB（On- chip Peripheral Bus）標(biāo)準(zhǔn)通過LMB（Local Memory Bus）訪問片內(nèi)Block RAM Micro Blaze是一個(gè)非常簡(jiǎn)化，但有具有較高性能的軟處理器內(nèi)核，他可以在性價(jià)比很高的Spartan II（-E）系列FPGA上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為75MHZ，僅占用400個(gè)Slice資源，相當(dāng)于10萬門FPGA容量的三分之一，而10萬門的 Spartan II系列FPGA的批量目標(biāo)市場(chǎng)價(jià)格僅為10美元左右，非常適合消費(fèi)類嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用需求。

在Xilinx最新一代FPGA Virtex II Pro中，嵌入了IBM公司的PPC405 RISC結(jié)構(gòu)硬處理器（如圖3所示），

圖3 PPC405 IP Core結(jié)構(gòu)框圖

該處理器內(nèi)核具備以下基本特征：32位、Harvard結(jié)構(gòu)，300MHZ以上工作頻率支持IBM Core Connect總線標(biāo)準(zhǔn)符合PowerPC UISA標(biāo)準(zhǔn)低功耗：0.9mW/MHZ硬件乘法和除法單元32個(gè)32bit通用寄存器16KB雙端口程序緩存16KB雙端口數(shù)據(jù)緩存內(nèi)存管理單元（MMU）支持獨(dú)立的調(diào)試和跟蹤接口PPC405硬處理器內(nèi)核性能上與現(xiàn)有的EPPC Core完全一致，含有PPC405 Core 的Virtex II Pro系列FPGA還附加了Gbit收發(fā)器和18×18硬件乘法器以及龐大的可編程邏輯資源，非常適合于通信、圖像信號(hào)處理以及復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提供了更加靈活的設(shè)計(jì)模式。

3.3 基于Micro Blaze和PPC405 Core的SOPC軟硬件開發(fā)

基于嵌入式處理器內(nèi)核的SOPC系統(tǒng)開發(fā)是一個(gè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程，一方面，它極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和快速的設(shè)計(jì)迭代周期，使整個(gè)開發(fā)過程變得更加可控；另一方面，一些新的調(diào)試和設(shè)計(jì)問題，如邏輯分析儀和數(shù)字示波器的接入等，對(duì)調(diào)試設(shè)備和調(diào)試手段提出了更高的要求，為了盡可能避免問題的產(chǎn)生，要求有更好的設(shè)計(jì)工具和集成開發(fā)環(huán)境，保證IP Core資源的可用性和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一致性，讓設(shè)計(jì)工程師從煩瑣的內(nèi)部時(shí)序調(diào)試中解放出來。