低價(jià)位嵌入式處理開發(fā)套件

Spartan-3E 1600E 開發(fā)套件支持靈活的 MicroBlaze 軟處理設(shè)計(jì)

作者：Jay Gould
Xilinx, Inc.
嵌入式解決方案營(yíng)銷
高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理
jay.gould@xilinx.com

Jim Burnham
Xilinx, Inc.
嵌入式處理部
嵌入式產(chǎn)品營(yíng)銷
jim.burnham@xilinx.com

從頭構(gòu)建復(fù)雜的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)既耗時(shí)，效率又低。如果硬件、軟件、固件、RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）集成和軟件驅(qū)動(dòng)器均為全新產(chǎn)品，其功能和可靠性未經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，有誰(shuí)愿意花功夫去調(diào)試它們呢？工程師在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中喜歡把變量分離出來(lái)，一個(gè)個(gè)地進(jìn)行修改，但對(duì)您而言，要想迅速取得進(jìn)展，所使用的組件一開始就必須得心應(yīng)手——正所謂“工欲善其事，必先利其器”。從工程安排上講，從布線到返回頭一塊原型板通常需要好幾周的時(shí)間，在此期間軟件和固件工程師只能盡力為并不存在的平臺(tái)開發(fā)代碼和驅(qū)動(dòng)器。

假如利用現(xiàn)成組件構(gòu)建一個(gè)臨時(shí)的初始系統(tǒng)，情況也好不了多少，因?yàn)槟仨氁迅鱾€(gè)系統(tǒng)部件組合在一起，而這些部件很可能來(lái)自不同的供應(yīng)商。您可能會(huì)問：我該查自己的系統(tǒng)呢，還是供應(yīng)商的組件有問題？這樣做行嗎？會(huì)不會(huì)很昂貴？

現(xiàn)在，這一切都不用擔(dān)心了，因?yàn)榛陟`活、可編程平臺(tái)的嵌入式開發(fā)套件已經(jīng)登場(chǎng)，它不僅性能全面，而且價(jià)格低廉。這一開發(fā)套件可不同于那些只有小小的內(nèi)存、無(wú)法真刀真槍完成實(shí)際設(shè)計(jì)工作的“玩具”，也有別于那些過分針對(duì)某個(gè)特定行業(yè)，致使其功能無(wú)法遷移或擴(kuò)展到您自己應(yīng)用中的工具?，F(xiàn)在，僅用略高于一個(gè)高端 MP3 播放器及其配件的價(jià)格，您就可以買到一套完全捆綁好的套件，包括硬件、軟件、JTAG 探針、通信電纜和預(yù)先經(jīng)過驗(yàn)證的一些參考設(shè)計(jì)。此套件支持真正嵌入式處理的開發(fā)，且兼容多種類型的實(shí)際應(yīng)用，包含為構(gòu)建快速、靈活的嵌入式處理系統(tǒng)而需要的一切要素。

智能工具、IP 和專為功能豐富的硬件開發(fā)板（或評(píng)估板、參考板或演示板）編寫的參考設(shè)計(jì)，能縮短嵌入式開發(fā)的周期。有了一套性能良好的集成開發(fā)套件，您就可以完全專注于自己的實(shí)際應(yīng)用，而無(wú)需費(fèi)神尋找因焊接不當(dāng)、白線斷裂或軟件驅(qū)動(dòng)程序與規(guī)格所要求的 IP 外設(shè)不相符而帶來(lái)的問題。對(duì)于軟件/固件團(tuán)隊(duì)來(lái)說，有沒有一個(gè)穩(wěn)定的硬件環(huán)境大不一樣——如果擁有這樣一個(gè)環(huán)境，他們就可以在首次提交定制硬件板之前，早早動(dòng)手編寫代碼，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。賽靈思MicroBlaze 開發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）具有平臺(tái)所有的靈活性、集成度高，而且價(jià)格低廉（圖 1）。

軟處理和可定制IP 的優(yōu)點(diǎn)

為盡可能地滿足項(xiàng)目要求，工程師需要多種選項(xiàng)及靈活性。通過可編程平臺(tái)和創(chuàng)新型工具，您可以手動(dòng)設(shè)置嵌入式設(shè)計(jì)的功能、面積、費(fèi)用和性能，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。在把定制的硬件從商店買回家之前，您可以對(duì)靈活的軟處理器核進(jìn)行實(shí)例化、定制 IP、優(yōu)化硬件的性能，還可在一個(gè)開發(fā)板上對(duì)您的軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

FPGA 處理系統(tǒng)的本質(zhì)就決定了它是可編程、可重新設(shè)置和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的。因此，它們具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可幫助您的產(chǎn)品更快打入市場(chǎng)，并具有更長(zhǎng)而且可更新的生命周期。

Spartan 系列 FPGA 支持 32 位 RISC MicroBlaze 軟處理器。因?yàn)樵撥浱幚砥飨衿渌?IP 外設(shè)一樣由 FPGA 元件構(gòu)建而成，所以可以隨意將其實(shí)例化。為充分利用低價(jià)位的 Spartan 應(yīng)用，賽靈思對(duì) MicroBlaze 軟處理器核進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到在盡可能小面積上實(shí)現(xiàn)最佳效果。由于這種MicroBlaze 軟處理解決方案的靈活性，您可以在設(shè)計(jì)周期中隨時(shí)對(duì)更新、更改、或整個(gè)新處理器核進(jìn)行實(shí)例化。如果硬件和軟件錯(cuò)誤都可以改正，已有功能可以增強(qiáng)，新的功能可以添加，甚至在完成部署后還能增加對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的支持，那么您可以想象一下，產(chǎn)品的壽命會(huì)有多么長(zhǎng)！

IP 外設(shè)也是軟性的，在面積要求較高的情況下，可對(duì)其進(jìn)行編輯，替代核的某些功能。與分離式處理解決方案不同的是，您可以針對(duì)具體應(yīng)用選擇最優(yōu)組合，從方案中剔除不需要的額外器件單元。在這樣一個(gè)軟性、可編程的處理系統(tǒng)中，可以通過幾種微調(diào)方法來(lái)提高性能。此 MicroBlaze Spartan 套件使您可以盡情發(fā)揮協(xié)處理的長(zhǎng)處，探索加快設(shè)計(jì)的多種方法，而不僅僅是在撥快時(shí)鐘上做文章，因?yàn)閾芸鞎r(shí)鐘的好處是有限的。與在單個(gè)處理器核上序列運(yùn)行的純軟件應(yīng)用相比，在高性能 FPGA 硬件中加入引擎一般來(lái)說總能收到改進(jìn)系統(tǒng)性能之效。用多處理器、插入式浮點(diǎn)單元 (FPU) 或硬件指令做實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)對(duì)您的應(yīng)用大有裨益。利用可編程平臺(tái)，您可以就 MicroBlaze 處理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而不花分文，因?yàn)槟槐匕炎约核┧涝诔醪郊埫嬉?guī)格書上所提供的那些孤立的解決方案上。

集成部件，出盒即用

賽靈思MicroBlaze 開發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）為嵌入式開發(fā)集成了完整的環(huán)境。該套件支持一大批不同的 MicroBlaze 軟處理，并包括：

　來(lái)自合作伙伴 Digilent 的 Spartan 3E 1600E 開發(fā)板
　ISE（集成軟件環(huán)境）FPGA 工具
　榮獲大獎(jiǎng)的 Platform Studio 嵌入式工具套件 (XPS)
　MicroBlaze 軟處理器許可（無(wú)需單元版稅）
　JTAG 探測(cè)器、以太網(wǎng)和串行電纜
　ChipScope Pro 分析器（評(píng)估版）
　參考設(shè)計(jì)

此款低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 開發(fā)板（見圖 2）所提供的一組功能十分強(qiáng)勁，絕對(duì)物超所值，包括針對(duì)存儲(chǔ)器的多種選擇、時(shí)鐘、顯示器、連接器、用戶接口及其他外設(shè)，使您能以低成本輕松開發(fā)自己的自定義嵌入式設(shè)計(jì)。實(shí)際開發(fā)板和附屬選項(xiàng)包含如下功能：

　DDR SDRAM 存儲(chǔ)器接口、線性 Flash、Flash PROM、SPI 串行 Flash
　連接器：USB 下載、Digilent JTAG 3 電纜、43 擴(kuò)展 I/O 和三個(gè) 6 管腳 I/O 端口
　多個(gè)用戶接口：RS-232、SPI 端口、四個(gè)按鈕、八個(gè) LED、四個(gè) DIP 交換機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器 USB 和三重模式以太網(wǎng)
　外設(shè)：10/100 以太網(wǎng) PHY、四通道 DAC、兩通道 ADC
　LCD 顯示器

此款開發(fā)板不僅支持MicroBlaze單處理器設(shè)計(jì)，也支持 MicroBlaze 處理器的多重實(shí)例化，甚至協(xié)處理應(yīng)用，包括 FPGA 架構(gòu)或 FPU 選項(xiàng)中的硬件指令，以將處理荷載最有效地分配在整個(gè)線路設(shè)計(jì)中。把所有軟件功能都加載在單個(gè)處理引擎上可能會(huì)造成系統(tǒng)性能瓶頸，而在快速 FPGA 電路上實(shí)現(xiàn)軟件算法能卸去部分荷載，切實(shí)加速整個(gè)設(shè)計(jì)過程。事實(shí)上，利用協(xié)處理、FPU 或硬件指令，系統(tǒng)性能得以大為提高，與純軟件應(yīng)用相比不可以道里計(jì)。在某些實(shí)際案例中，性能增加達(dá)到 5 倍、10 倍甚至超過 40 倍。

與 Spartan 板相得益彰的，是一組 ISE FPGA 工具，這是針對(duì) FPGA 實(shí)現(xiàn)而推出的設(shè)計(jì)輔助程序，包括輸入、綜合、驗(yàn)證、布局和布線等。更妙的是，此設(shè)計(jì)流程已經(jīng)集成，從嵌入式工具套件集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 中即可直接調(diào)用。

我們的低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 嵌入式開發(fā)套件不僅僅是一塊孤立的電路板。您不必只為了開發(fā)一個(gè)解決方案原型，就把大量寶貴時(shí)間花費(fèi)在四處搜尋合適的部件上。

XPS 嵌入式系統(tǒng)工具套件為嵌入式系統(tǒng)工程師提供了理想的設(shè)計(jì)環(huán)境，使他們不費(fèi)吹灰之力就可以開始設(shè)計(jì)過程。本集成開發(fā)環(huán)境包括設(shè)計(jì) GUI、自動(dòng)化配置向?qū)?、編譯器和調(diào)試器。XPS 構(gòu)建于 Eclipse 框架之上，并支持 GNU 工具鏈，可用于處理編譯和調(diào)試。與平常所用的 Base System Builder 之類大同小異的設(shè)計(jì)向?qū)?，能使配置基本處理器系統(tǒng)的過程自動(dòng)化，連接并定制 IP，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行組織。此外，XPS 可自動(dòng)生成實(shí)例測(cè)試代碼和軟件驅(qū)動(dòng)器，甚至可為一些最常用的嵌入式操作系統(tǒng)生成板支持包。

這些智能嵌入式工具具有“平臺(tái)意識(shí)”，并能從菜單驅(qū)動(dòng)環(huán)境下自動(dòng)化特定電路板的流程。Xilinx 與其電路板合作伙伴公司（如 Avnet、Nu Horizons 和 Digilent 等）合作，隨嵌入式硬件板提交一份電路板說明文件；而 Platform Studio 則利用該文件構(gòu)建新的菜單支持。用這種設(shè)計(jì)向?qū)Х椒▉?lái)配置系統(tǒng)，您可以在短短幾分鐘內(nèi)創(chuàng)建基本的嵌入式系統(tǒng)，因而縮短熟悉過程，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。

MicroBlaze 套件捆綁了一個(gè)性能不凡的嵌入式 IP 庫(kù)和針對(duì)每個(gè) MicroBlaze 處理器的使用許可。您不必為發(fā)送給用戶的 MicroBlaze 設(shè)計(jì)支付特許使用費(fèi)，而且，因?yàn)?MicroBlaze 是軟性的，您的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)也不會(huì)過時(shí)。IP 產(chǎn)品目錄支持一大批處理外設(shè)選項(xiàng)。

目標(biāo)板需連接到主機(jī)以進(jìn)行各種各樣的通信，因?yàn)楣ぞ叩氖褂煤驮O(shè)計(jì)文件的創(chuàng)建都在主機(jī)上進(jìn)行。最常用的嵌入式目標(biāo)板連接方法是利用一個(gè)符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 探針。

賽靈思 提供的唯一連接方式是 USB JTAG 探針，可用于 FPGA 和嵌入式軟件下載及調(diào)試。這一性能可簡(jiǎn)化處理過程，使您不必依賴于多個(gè)探針，消除為不同功用而來(lái)回調(diào)換探針的麻煩。以太網(wǎng)和串行電纜也包括在套件中，這樣，一打開封裝，您立即就能完成所有需要的連接。

參考設(shè)計(jì)和嵌入式 OS 支持

在集成開發(fā)套件中，能真正使您游刃有余地進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且最具決定性、最關(guān)鍵的部分，是一批參考設(shè)計(jì)和符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式 OS 支持。該套件包含已有的、行之有效的示例設(shè)計(jì)，您打開產(chǎn)品包裝后，立即就能擁有可以運(yùn)行的基本系統(tǒng)。這些預(yù)先驗(yàn)證過的參考系統(tǒng)可以在您開始創(chuàng)建新的代碼或 IP 之前確認(rèn)硬件及連接的狀況是否正常，這樣，如果問題出在電路板或電纜上，您就不會(huì)白費(fèi)時(shí)間在自己的設(shè)計(jì)中找問題。

這些參考系統(tǒng)也是極好的示例，為您展示 Spartan-3E 1600E 平臺(tái)的眾多功能，如 DDR SDRAM、以太網(wǎng)、RS232 和 LCD 功能等。您可以把這些示例用作模板，這樣，假如您的定制板要實(shí)現(xiàn)同樣的功能，您就可以用模板來(lái)模擬您自己的設(shè)計(jì)功能，或者原封不動(dòng)地照搬已有的功能。

經(jīng)預(yù)先驗(yàn)證過的參考系統(tǒng)示例包括：

　從主系列模式配置的問好字詞示例
　從 BPI Up 模式配置的 μClinux 示例
　從 BPI Down 模式配置的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)示例可即時(shí)啟動(dòng)您自己的設(shè)計(jì)，與手動(dòng)生成復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方方面面相比較，可節(jié)約幾天甚或幾個(gè)月的開發(fā)時(shí)間。在 www.xilinx.com/cn/sp3e1600e 上可以找到其他參考設(shè)計(jì)和更新。

對(duì)嵌入式操作系統(tǒng) (eOS) 的支持也是許多處理應(yīng)用取得成功的關(guān)鍵。MicroBlaze 開發(fā)套件包括對(duì)產(chǎn)品/供應(yīng)商的若干 eOS 支持，這些已經(jīng)實(shí)踐證明非常及時(shí)、有效，例如：

　Mentor Graphics Nucleus
　Petalogix μClinux
　Micrium μC/OS-II

如果需要對(duì) eOS 和工具產(chǎn)品的特定支持，最好是產(chǎn)品來(lái)自于哪家供應(yīng)商，就找哪家。由 Spartan 和 MicroBlaze 組合而成的處理解決方案也得到了許多其他第三方嵌入式 RTOS 或硬件/軟件設(shè)計(jì)工具合作伙伴的支持。我們的嵌入式合作伙伴的網(wǎng)站，在以下網(wǎng)站上有列表：www.xilinx.com/cn/ise/embedded/epartners/listing.htm.

結(jié)論

與傳統(tǒng)處理解決方案相比，賽靈思 所提供的嵌入式處理具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括軟處理器、協(xié)處理和可定制 IP 的高度靈活性和獨(dú)特魅力。我們的低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 嵌入式開發(fā)套件不僅僅是一塊孤立的電路板。您不必只為了開發(fā)一個(gè)解決方案原型，就把大量寶貴時(shí)間花費(fèi)在四處搜尋合適的部件上。該套件包括經(jīng)預(yù)先驗(yàn)證過、行之有效的參考設(shè)計(jì)，能顯著加快實(shí)時(shí)工程師的開發(fā)過程。打開產(chǎn)品包裝盒后（這盒產(chǎn)品的價(jià)位可是頗為公道），立即就能擁有可以運(yùn)行的嵌入式設(shè)計(jì)。

要了解我們的低價(jià)位 MicroBlaze 開發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）的詳情，請(qǐng)?jiān)L問 www.xilinx.com/cn/embdevkits。要了解我們的所有嵌入式處理解決方案，一個(gè)絕佳的起始站點(diǎn)是 www.xilinx.com/cn/processor。