基于開(kāi)源微處理器OR1200的嵌入式SoC設(shè)計(jì)

RISC是一種執(zhí)行較少類(lèi)型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(jī)(即RISC 機(jī))，RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱(chēng)RISC處理器。這樣一來(lái)，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作(每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即MIPS)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類(lèi)型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。RISC微處理器不僅精簡(jiǎn)了指令系統(tǒng)，采用超標(biāo)量和超流水線(xiàn)結(jié)構(gòu);它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則采用超流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這些RISC處理器在構(gòu)建并行精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)多處理機(jī)中起著核心的作用。

近年來(lái)開(kāi)放源代碼運(yùn)動(dòng)迅速發(fā)展，開(kāi)放性源碼的概念已經(jīng)從軟件領(lǐng)域(如Linux,GCC等)擴(kuò)展到了硬件領(lǐng)域，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)發(fā)布免費(fèi)的IP核源代碼的組織--OpenCores.OR1200以其完全開(kāi)放的源代碼和編譯器吸引了設(shè)計(jì)者。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性和可移植性強(qiáng)，具備完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，非常適合嵌入式SoC設(shè)計(jì)[1].關(guān)于OR1200的研究也受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。

1 32位開(kāi)放源代碼處理器核OpenRISC1200

OpenRISC1000系列處理器是開(kāi)放IP核源代碼組織OpenCores公布的32/64位處理器軟核。OpenRISC1200采用了自主設(shè)計(jì)的OpenRISC1000體系結(jié)構(gòu)和自定義的ORBIS32 指令集。它是一種32位、標(biāo)量、哈佛結(jié)構(gòu)、5 級(jí)整數(shù)流水線(xiàn)的RISC,支持Cache、MMU和基本的DSP 功能。OR1200具有較好的可配置性， 使用者可以根據(jù)自己的需要定制自定義的指令，確定是否使用MMU,配置Cache 的大小(1 KB~64 KB之間)。OR1200同時(shí)還提供了1個(gè)用于降低功耗的電源管理單元和1個(gè)支持片內(nèi)調(diào)試的調(diào)試單元[2].

OR1200有完善的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)的支持。使用者可以通過(guò)包括GCC、Binutils和GDB等在內(nèi)的GNU tool chains進(jìn)行基于OR1200內(nèi)核的編譯和調(diào)試。同時(shí)，OR1200擁有專(zhuān)門(mén)的仿真器Or1ksim,可以進(jìn)行指令集一級(jí)的仿真，并支持Linux,μClinux,μC/OS-Ⅱ等任何一種現(xiàn)代操作系統(tǒng)。

OR1200典型應(yīng)用情況[3]:使用0.18 ?滋m和6層金屬工藝時(shí)，主頻運(yùn)行達(dá)到300 MHz,可以提供300Dhrystone、2.1MIPS和300 Hz的32 bit×32 bit的DSP乘加操作的能力。OR1200默認(rèn)配置有100萬(wàn)個(gè)晶體管。

2 系統(tǒng)的總體方案

本文構(gòu)建以O(shè)R1200微處理器為核心，包含軟硬件平臺(tái)的嵌入式SoC系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以開(kāi)源32位RISC核+Wishbone總線(xiàn)為主干，進(jìn)行增量迭代開(kāi)發(fā)，將仿真驗(yàn)證過(guò)的模塊逐個(gè)加入到OR1200嵌入式系統(tǒng)中，然后在FPGA上進(jìn)行驗(yàn)證。軟件部分進(jìn)行交叉編譯環(huán)境的建立、操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)并利用驅(qū)動(dòng)程序、函數(shù)庫(kù)，經(jīng)交叉編譯工具最后生成可執(zhí)行程序下載到內(nèi)存中。最后在Altera的DE2-70開(kāi)發(fā)板上驗(yàn)證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示：

主函數(shù)中3個(gè)任務(wù)函數(shù)非常簡(jiǎn)單，優(yōu)先級(jí)從高到底分別為1、2、3,系統(tǒng)提供的函數(shù)OSTimeDly()分別為10、20、30,OsTimeDly()是將1個(gè)任務(wù)掛起，延時(shí)若干個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，CPU可以去執(zhí)行其它任務(wù)。

圖4給出的是通過(guò)串口工具輸出μC/OS-II多任務(wù)調(diào)度的信息，3個(gè)任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)和延遲時(shí)間正確執(zhí)行并打印出執(zhí)行信息，測(cè)試證明OR1200嵌入式SoC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行μC/OS-II.

3 硬件平臺(tái)的構(gòu)建

OR1200Q嵌入式SoC系統(tǒng)組件包括：OR1200、Wishbone互聯(lián)模塊、Memory Controller、Flash、SDRAM、UART、GPIO、DM9000A接口模塊以及DM9000A控制器。圖2所示系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

系統(tǒng)外接50 MHz的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)PLL分頻，系統(tǒng)工作在25 MHz頻率。由于OR1200的可配置性，配置了硬件乘法功能，選擇8 KB的IC(指令緩存)、8 KB的DC(數(shù)據(jù)緩存)，選擇NO_DMMU,NO_IMMU,即未加內(nèi)存管理單元。起始地址設(shè)為0x100,對(duì)系統(tǒng)做了硬件映射，復(fù)位時(shí)，0x04000000地址映射到0x0地址，所以系統(tǒng)可以從Flash啟動(dòng)。Memory Control為統(tǒng)一的存儲(chǔ)控制器模塊，控制著SDRAM和Flash 2種存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)針對(duì)AlteraDE2-70開(kāi)發(fā)板硬件配置選擇64 MB的SDRAM和8 MB的Flash.Flash用于存儲(chǔ)壓縮的內(nèi)存映像文件及啟動(dòng)程序Bootloder.Bootloder把壓縮的內(nèi)存映像文件從Flash復(fù)制到SDRAM中，并跳到起始位置解壓執(zhí)行可執(zhí)行文件、啟動(dòng)操作系統(tǒng)。UART是嵌入式中重要的I/O設(shè)備，本系統(tǒng)選擇由OpenCores組織維護(hù)的UART16550 IP核，它與國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容并且可配置。UART通信協(xié)議的要求是：波特率9600 b/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位。GPIO在系統(tǒng)中主要用于控制LED顯示狀態(tài)。DM9000A支持8 bit和16 bit數(shù)據(jù)接口以適用于不同的微處理器，但是沒(méi)有合適的開(kāi)源IP模塊來(lái)連接DM9000A和Wishbone.因此需要開(kāi)發(fā)1個(gè)IP接口模塊能將Wishbone從設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換為DM9000A控制信號(hào)。這個(gè)接口模塊有2個(gè)接口：1個(gè)連接在Wishbone從設(shè)備上;1個(gè)連接DM9000A控制器。DM9000A本身是little-endian,OR1200是big-endian,所以數(shù)據(jù)線(xiàn)接法應(yīng)該做交叉接法。

Wishbone互聯(lián)模塊有很多種，比如Wishbone Conbuse、Wishbone Traffic Cop、Wishbone Interconnect Matrix.鑒于本系統(tǒng)外設(shè)不多，選擇Wishbone Traffic Cop,它有8個(gè)主設(shè)備、9個(gè)從設(shè)備。系統(tǒng)2個(gè)主設(shè)備即指令總線(xiàn)主設(shè)備、數(shù)據(jù)總線(xiàn)主設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)Wishbone 的總線(xiàn)譯碼器和仲裁器與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，總線(xiàn)仲裁器選擇控制總線(xiàn)的主設(shè)備，保證每個(gè)周期最多只有1個(gè)主設(shè)備獲得總線(xiàn)控制權(quán)。系統(tǒng)有4個(gè)從設(shè)備，分別是UART、Flash、SDRAM和DM9000A.每個(gè)從設(shè)備都由32 bit地址線(xiàn)的最高8 bit來(lái)編址，總線(xiàn)譯碼器對(duì)主設(shè)備發(fā)出的地址的最高3 bit進(jìn)行譯碼來(lái)決定訪(fǎng)問(wèn)哪個(gè)從設(shè)備。

4 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程包括交叉編譯環(huán)境的搭建，Bootloader的設(shè)計(jì)、μC/OS-II的移植和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等。

4.1 GNU交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建

OR1200系統(tǒng)使用的是OR32工具鏈，它由GCC, GNU Binutils和GDB組成，另外還提供了OR32模擬仿真工具。gcc-3.4.4用于程序的編譯;Binutils-2.16.1提供了鏈接等各種工具;gdb-5.3用于程序的調(diào)試。OR32模擬仿真工具or1ksim工具可以模擬OR1200處理器的行為，讓程序脫離處理器在模擬工具上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)OR1200與程序并行開(kāi)發(fā)。OR32可從opencores網(wǎng)站上下載。

4.2 啟動(dòng)代碼Bootloder的設(shè)計(jì)

Boot Loader 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴(lài)于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?duì) Boot Loader 歸納出一些通用的概念來(lái)，以指導(dǎo)用戶(hù)特定的 Boot Loader 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 移植分析

對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從開(kāi)機(jī)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)需要一個(gè)引導(dǎo)過(guò)程，嵌入式系統(tǒng)同樣離不開(kāi)引導(dǎo)程序，這個(gè)引導(dǎo)程序就是Bootloader.通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。

結(jié)合前面構(gòu)建的OR1200嵌入式SoC系統(tǒng)，具體的移植過(guò)程中需要修改或編寫(xiě)以下代碼：

spr_defs.h OR1200相關(guān)寄存器的設(shè)置;

board.h系統(tǒng)驗(yàn)證所用的DE2-70開(kāi)發(fā)板的定義，啟動(dòng)參數(shù)等;

flash_boot.S,修改初始化代碼和入口;

flash.ld,代碼在flash中的地址空間安排;

mc.h存儲(chǔ)控制器的初始化;

uart.h UART的初始化;

copier.c下載的程序從Flash拷貝到SDRAM執(zhí)行的拷貝代碼;

在Makefile中添加Bootloder的編譯支持。

4.2.2 啟動(dòng)分析

0x100處是復(fù)位入口地址，但是Flash的初始地址為0x04000000,通過(guò)設(shè)置寄存器對(duì)系統(tǒng)做了硬件映射。復(fù)位時(shí)，0x04000000地址映射到0x0地址，所以可從Flash啟動(dòng)。系統(tǒng)加電后，CPU從該地址開(kāi)始執(zhí)行。該地址也就是系統(tǒng)異常處理向量表第1項(xiàng)(復(fù)位)。跳到了init_mc 中，此時(shí)完成了系統(tǒng)的大部分初始化，例如設(shè)置寄存器、CPU、SDRAM、Flash.然后把Flash中的拷貝代碼(copier)拷貝到SDRAM,跳到SDRAM中的Copier處，copier負(fù)責(zé)把Flash中的用戶(hù)程序(userprog.bin)拷貝到SDRAM中去，并跳到0x100處，解壓執(zhí)行用戶(hù)程序，啟動(dòng)操作系統(tǒng)。此時(shí)的內(nèi)存映射為：SDRAM為0x00000000~0x04000000, Flash還是0x04000000~0x08000000.Bootloader的啟動(dòng)如圖3所示。

4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量，郵箱，消息 隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無(wú)誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為減化。μC /OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。

μC/OS-II是一個(gè)代碼公開(kāi)、內(nèi)核精簡(jiǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，非常適合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。μC/OS-II 是由與處理器相關(guān)的代碼，與處理器無(wú)關(guān)的代碼及與應(yīng)用程序相關(guān)的代碼組成。它在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以μC/OS-II在不同處理器上的移植是比較容易的，