基于LEON開(kāi)源軟核的SOC平臺(tái)構(gòu)建與測(cè)試

　　引 言

　　伴隨著導(dǎo)航系統(tǒng)功能日益多樣化、軟件算法愈加復(fù)雜和集成度要求更高的趨勢(shì)，在大規(guī)?？删幊唐骷显O(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試導(dǎo)航SoC芯片成為解決方案之一。導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片設(shè)計(jì)的要求主要有：

　?、侔踩?。芯片的所有功能模塊運(yùn)行正常，運(yùn)行機(jī)制透明，可靠性強(qiáng)。

　?、诳膳渲眯?。根據(jù)應(yīng)用要求對(duì)硬件進(jìn)行裁減和配置，達(dá)到最佳的功能、功耗和面積比。

　?、鄹哌\(yùn)算能力。具備在特定時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜算法的運(yùn)算能力。

　　SoC芯片的核心是實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和控制功能的微處理器。LEON是一款基于SPARC V8架構(gòu)的開(kāi)源微處理器IP軟核，在VHDL源代碼基礎(chǔ)上，結(jié)合具體需求加入定制的運(yùn)算單元和外設(shè)接口建立SoC系統(tǒng)。在配置靈活的LEON核上運(yùn)行Embedded Linux，提供SoC調(diào)試和測(cè)試的基本平臺(tái)。

　　1 軟硬件平臺(tái)構(gòu)建

　　1.1 LEON軟核架構(gòu)簡(jiǎn)介

　　LEON核心是一個(gè)與SPARCV8兼容的整數(shù)處理單元IU(Integer Unit)，LEON2是5級(jí)流水線(xiàn)，LEON3是7級(jí)流水線(xiàn)。LEON包含整數(shù)硬件乘法和除法單元、雙協(xié)處理器接口(FPU浮點(diǎn)處理單元和Co-processor協(xié)處理器)，分離的指令和數(shù)據(jù)總線(xiàn)(Harncard結(jié)構(gòu))。LEON通過(guò)高速的AMBA-AHB總線(xiàn)，指令緩存和數(shù)據(jù)緩存分別和內(nèi)存控制器及高速的外部接口相連傳輸數(shù)據(jù)。低速的AMBA-APB總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)片上外設(shè)的接口，例如定時(shí)器、串口、網(wǎng)絡(luò)接口等。LEON3軟核可配置體系架構(gòu)如圖l所示。

　　1.2 LEON在SoC芯片開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

　　LEON軟核最突出的優(yōu)勢(shì)是其良好的可配置性和可移植性，以及遵循GPL許可證協(xié)議的開(kāi)源性。這些特性保證導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片的安全性，提供良好的性能和靈活的解決方案，也決定了在LEON上進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)移植的特殊性。

　　1.2.1 開(kāi)源性

　　基于GPL許可證協(xié)議，LEON非容錯(cuò)版本軟核IP提供VHDL源代碼，僅是容錯(cuò)版本的LEON軟核需要商業(yè)授權(quán)。源代碼公開(kāi)足實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片設(shè)計(jì)安全性的前提，同時(shí)也使研究者和開(kāi)發(fā)者從根本上研究軟核的細(xì)節(jié)從而定制滿(mǎn)足具體應(yīng)用的軟核成為可能。與全部源代碼開(kāi)放的LEON相比，Altera的NIOS軟核等其他軟核僅提供若干接口，無(wú)法在更深的軟核層次上進(jìn)行設(shè)汁和優(yōu)化。

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　　1.2.2 優(yōu)異的可配置性

　　LEON軟核通過(guò)集成一套豐富的接口和運(yùn)算單元IP庫(kù)，根據(jù)具體要求來(lái)達(dá)到性能、功耗和面積的平衡和優(yōu)化的目的。

　?、佘浐薎U可配置參數(shù)包括流水線(xiàn)的深度、地址和數(shù)據(jù)高速緩存(Cache)。另外，常用指令及指令序列可以根據(jù)定制的硬件進(jìn)行優(yōu)化;在設(shè)計(jì)或配置新運(yùn)算單元后能夠?qū)χ噶罴M(jìn)行擴(kuò)展。在導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片設(shè)計(jì)中，通過(guò)配置LEON的整數(shù)硬件乘除法單元以實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)算性能;而在其他某些使用軟件乘除法，即滿(mǎn)足要求的應(yīng)用中無(wú)需配置，以降低功耗和優(yōu)化芯片面積。

　　②外圍設(shè)備接口硬件通過(guò)掛載AMBA總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEON3的AMBA-AHP總線(xiàn)上能夠靈活選擇集成opencores的以太網(wǎng)控制器和GRETH以太網(wǎng)控制器中的任意一個(gè)。針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)中常見(jiàn)的1553總線(xiàn)接口設(shè)備，在LEON中通過(guò)配置GRl553單元完成1553總線(xiàn)到AMBA-AHB總線(xiàn)的轉(zhuǎn)換，為1553總線(xiàn)沒(méi)備的集成提供了方便。

　?、塾布铀賳卧?如特定加密算法、數(shù)字信號(hào)處理單元和浮點(diǎn)處理單元)根據(jù)需求集成。

　　優(yōu)異的可配置性帶來(lái)了硬件設(shè)計(jì)極大的靈活性，也為嵌入式操作系統(tǒng)的移植帶來(lái)了一定難度(特別是在擴(kuò)展了指令集的情況下)?？紤]到進(jìn)行性能測(cè)試的完整性和靈活性，LEON3軟棱在本項(xiàng)目中的配置方案如圖2所示。(詳細(xì)配置參數(shù)未列出)

　　1.2.3 良好的可移植性

　　LEON軟核通過(guò)層次度分明的VHDL模型實(shí)現(xiàn)。通過(guò)VHDL中特定的配置接口，LEON核的關(guān)鍵參數(shù)(例如修改Cache的大小和組織方式，乘法器的生成，速度、芯片面積的調(diào)整以及容錯(cuò)方案的選擇)都能夠靈活設(shè)置和移植;而唯一使用專(zhuān)用技術(shù)的模型是內(nèi)存宏模塊。這一部分的設(shè)計(jì)采用了加上中間交互層接口的方式，因此移植的工作僅需重新編寫(xiě)中間交互層接口。導(dǎo)航系統(tǒng)中包括單次濾波在內(nèi)的大量算法經(jīng)過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)后需集成在LEON中，根據(jù)LEON特定的配置接口即可實(shí)現(xiàn)集成和SoC系統(tǒng)移植。在本硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，針對(duì)特定硬件開(kāi)發(fā)板，通過(guò)修改頂層module文件設(shè)置以及更新引腳配置，即可完成硬件設(shè)計(jì)的移植工作。

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　　目前，LEON在研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是作為軟核嵌入在可編程器件中，作為構(gòu)建SoC芯片的控制和運(yùn)算中心。LEON軟核的容錯(cuò)版本也已經(jīng)用在了空間站上。在本導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片項(xiàng)目中，選擇了開(kāi)源且配置靈活的LEON硬件平臺(tái)和Linux軟件平臺(tái)，并且在初期測(cè)試中表現(xiàn)出良好的性能。在本驗(yàn)證平臺(tái)上，SoC系統(tǒng)需要以太網(wǎng)接口、1553總線(xiàn)接口、串口、通用I/O口以及調(diào)試單元，具體配置方案如圖3所示。

　　1.3 Linux系統(tǒng)的移植和調(diào)試

　　近年來(lái)Linux憑借其開(kāi)源、性能優(yōu)異、軟件資源豐富的優(yōu)勢(shì)，在嵌入式平臺(tái)上得到了廣泛的應(yīng)用。在LEON上運(yùn)行的操作系統(tǒng)日前已經(jīng)有RTEMS、eCOS、VxWorks和嵌入式Linux。選擇嵌入式Linux的主要原用，是由于Linux的開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建得比較完善，在工具鏈、內(nèi)核移植、驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序的各層上都有很好的支持;使用Linux開(kāi)發(fā)能夠大大加快開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，并滿(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用的指標(biāo)。目前，對(duì)LEON提供良好支持的Linux發(fā)行版有Snapgear。由于LEON軟核優(yōu)異的可配置性和可移植性.在LEON上進(jìn)行Linux的移植工作與普通定制的嵌入式微處理器相比，有很多特殊點(diǎn)和難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

　　(1)配置和編譯內(nèi)核

　　編譯內(nèi)核的目的在于，生成在目標(biāo)CPU上運(yùn)行的內(nèi)核。由于LEON自身硬件的可配置性，Linux的源代碼中也需要加入與硬件核相關(guān)的選項(xiàng)進(jìn)行配置。若LEON軟核配置IP，例如硬件加速單元、加密單元或外設(shè)接口，則Linux內(nèi)核中需加入驅(qū)動(dòng)程序。因此，內(nèi)核的配置分為兩類(lèi)，一類(lèi)是配置LEON軟核自身的設(shè)置，另一類(lèi)是配置目標(biāo)板上的其他外圍設(shè)備，例如內(nèi)存系統(tǒng)、外設(shè)接口等。與一般的定制嵌入式CPU(如ARM體系的CPU)相比，前一類(lèi)配置是LEON獨(dú)有的。這種配置的靈話(huà)性為軟硬件平臺(tái)的定制提供了極大的方便。例如，Snapgear Embed-ded Linux根據(jù)具體需求配置硬件乘除法指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU：在不需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的應(yīng)用中，配置LEON硬件就不需配置浮點(diǎn)單元，相應(yīng)Linux的配置中取消FPU，進(jìn)而節(jié)省硬件資源和軟件的開(kāi)銷(xiāo)。

　　項(xiàng)目中實(shí)際采取的LEON軟核配置方案為：LEON核選擇LEON2MMU或LEON3MMU，時(shí)鐘頻率為50MHz，配置硬件整數(shù)乘除法指令和FPU對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)操作指令。外圍設(shè)備配置的串口的起始波特率為38 400 bps，另外，還配置了只讀存儲(chǔ)區(qū)ROM和隨機(jī)存取器RAM。

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　　(2)調(diào)試內(nèi)核

　　LEON軟核平臺(tái)調(diào)試工具有：TSIM、GRSIM和GRMON。

　　TSIM：SPARC架構(gòu)處理器通用軟件仿真器，用于軟件仿真ERC32-和LEON微處理器。

　　GRSIM：LEON平臺(tái)軟件仿真器，支持多處理器平臺(tái)(MP)。

　　GRMON：LEON平臺(tái)硬件仿真調(diào)試器，支持基于GRLIB軟核IP的SoC設(shè)汁的硬件調(diào)試。

　　TSIM作為軟件模擬的VHDL模型，調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)的啟動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置如下：

　　-freq：設(shè)置TSIM模擬LEON處理器硬件的工作頻率，LEON3默認(rèn)為50 MHz。

　　-fpm：配置模擬FPU模塊。

　　-nfp：針對(duì)無(wú)FPU的模擬硬件平臺(tái)關(guān)閉FPU。

　　一nov8：針對(duì)無(wú)硬件乘除法硬件平臺(tái)關(guān)閉硬件乘除法指令。

　　-pr：指定使用性能觀察器。

　　在TSIM-LEON平臺(tái)上進(jìn)行程序的測(cè)試和調(diào)試過(guò)程中，Profiling(性能觀察器)能夠顯示程序各個(gè)分支函數(shù)以及宏在實(shí)際運(yùn)行中占用的資源，從而為程序的進(jìn)一步優(yōu)化提供必要參考，例如某測(cè)試程序在程序運(yùn)行完畢后使用pro命令得出的結(jié)果：

　　宏_muldf3和_adddf,3在程序運(yùn)行中占用了大量時(shí)間，需進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)測(cè)試證明，通過(guò)在LEON中集成FPU消除了宏_muldf3和_adddf3，從而大幅提高浮點(diǎn)運(yùn)算性能。

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　　2 LEON數(shù)學(xué)運(yùn)算性能及算法測(cè)試

　　在LEON軟核系統(tǒng)上移植成功Linux后，通過(guò)特定測(cè)試程序驗(yàn)證LEON在數(shù)學(xué)運(yùn)算上的性能，以確定是否滿(mǎn)足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的需求。測(cè)試中對(duì)比ARM9 SC32410，分析LEON以及其集成FPU配置的性能，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)軟硬件配置進(jìn)一步優(yōu)化。由于LEON硬件配置十分靈活，因此在測(cè)試中采用了多種平臺(tái)，編譯程序的選項(xiàng)也有對(duì)應(yīng)的設(shè)置。中斷響應(yīng)、功耗等雖然也是處理器性能的重要方面，但本文尚未涉及。

　　2.1 測(cè)試平臺(tái)

　　(1)硬件測(cè)試平臺(tái)

　　硬件測(cè)試平臺(tái)如表1所列。

　　TSIM仿真器通過(guò)主機(jī)的浮點(diǎn)機(jī)制來(lái)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算仿真，因此仿真器的浮點(diǎn)精度與主機(jī)平臺(tái)相關(guān)。仿真器的時(shí)間精度與MeikoFPU相同，集成FPU的LEON3相當(dāng)于集成MeikoFPU的LEON3。

　　(2)軟件測(cè)試平臺(tái)

　?、貺EON2和LEON3在Linux 2.6.11下運(yùn)行。

　?、谥苯邮褂胓cc編譯生成程序加載到LEON上并運(yùn)行，無(wú)操作系統(tǒng)。

　?、跾amsung S3C2410在Linux 2.4.18下運(yùn)行。

　　(3)不同硬件測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試程序說(shuō)明

　　不同的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的搭配需在編譯程序過(guò)程中指定特定選項(xiàng)(通過(guò)Makefile管理)：

　?、?mmft-float選項(xiàng)。LEON平臺(tái)上若未集成FPU，則進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算必須指定該選項(xiàng)，此時(shí)所有浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為軟件模擬實(shí)現(xiàn)，代價(jià)是運(yùn)行時(shí)間大大增加，優(yōu)勢(shì)是能夠節(jié)省硬件資源(加入FPU后LEON的LE的使用率是無(wú)FPU情況下的近2倍)。

　　②-mv8選項(xiàng)。LEON平臺(tái)上配置硬件整數(shù)乘除法構(gòu)件時(shí)需要指定該選項(xiàng)。

　?、踫parc-Iinux-gcc和sparc-elf-gcc編譯器。對(duì)于LEON平臺(tái)，若在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行測(cè)試程序，則需用sparc-linux-gcc進(jìn)行編譯，程序使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)完成鏈接;若直接在LEON硬件上加載運(yùn)行，則需用sparc-elf-gcc進(jìn)行編譯，程序使用靜態(tài)鏈接庫(kù)完成鏈接。

　　④arm-linux-gcc編譯器。ARM9的S3C2410編譯器為arm-linux-gcc。

　?、?O3優(yōu)化選項(xiàng)。LEON和ARM的微處理器通過(guò)指定該選項(xiàng)進(jìn)行程序算法優(yōu)化。

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　　2.2 測(cè)試項(xiàng)目及說(shuō)明

　　測(cè)試項(xiàng)目1：整型數(shù)組與浮點(diǎn)數(shù)組的加法、乘法及乘加運(yùn)算。每種類(lèi)型的運(yùn)算都循環(huán)50 D00次，以驗(yàn)證LEON各種平臺(tái)和ARM9的MCU在數(shù)學(xué)運(yùn)算上的性能，并分析加入Linux系統(tǒng)后程序運(yùn)行性能的變化。

　　測(cè)試項(xiàng)目2：?jiǎn)未螢V波算法，程序每一次運(yùn)行包含12 791次浮點(diǎn)乘法和13 595次浮點(diǎn)加法，以驗(yàn)證在導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波算法中LEON在多種配置下的性能。

　　測(cè)試程序采用clock()系統(tǒng)調(diào)用獲取算法開(kāi)始運(yùn)行和結(jié)束運(yùn)行的時(shí)間，并以算法的運(yùn)行時(shí)間作為衡量系統(tǒng)效能的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.3 測(cè)試總結(jié)

　　LEON平臺(tái)靈活的軟硬件配置在多項(xiàng)測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異，總結(jié)如下：

　　①與主流ARM9微處理器在數(shù)學(xué)運(yùn)算上性能相當(dāng)。

　?、谇度胧絃inux操作系統(tǒng)平臺(tái)相對(duì)于無(wú)系統(tǒng)平臺(tái)有一定資源開(kāi)銷(xiāo)，根據(jù)具體應(yīng)用合理選擇軟件平臺(tái)是否需要嵌人式Linux系統(tǒng)。

　?、壑付?mv8和-O3選項(xiàng)后程序性能提升顯著，根據(jù)具體應(yīng)用合理選擇是否配置整數(shù)硬件乘除法器。

　?、躄EON硬件配置FPU后浮點(diǎn)運(yùn)算性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，代價(jià)是綜合需要的邏輯資源增長(zhǎng)一倍，在權(quán)衡性能和可編程器件資源后合理選擇配置方案。

　　結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片高速數(shù)據(jù)處理的需求，設(shè)計(jì)方案定型為L(zhǎng)EON+FPU，在測(cè)試中能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的運(yùn)算吞吐量指標(biāo)要求。

　　可配置FPU對(duì)LEON數(shù)學(xué)運(yùn)算性能的提升極為有效，特別是在運(yùn)算密集型的SoC設(shè)計(jì)中。LEON3的GRFPU相對(duì)于其他常見(jiàn)微處理器的FPU有較大優(yōu)勢(shì)。表2為若干處理器核FPU單元完成浮點(diǎn)運(yùn)算指令需要的處理(延遲)時(shí)鐘周期數(shù)對(duì)比情況。

　　時(shí)鐘周期數(shù)說(shuō)明：括號(hào)外數(shù)字是指令處理周期數(shù)，即硬件流水線(xiàn)中完成該指令的周期;括號(hào)內(nèi)數(shù)字是指令延遲周期數(shù)，即該指令進(jìn)入流水線(xiàn)至從流水線(xiàn)中輸出結(jié)果所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。

　　3 結(jié)論

　　作為硬件VHDL代碼開(kāi)源的SPARC架構(gòu)軟核IP微處理器，LEONX(包括LEON2和LEON3)良好的可移植性和可配置性使其成為建立片上系統(tǒng)微處理器的一個(gè)優(yōu)選方案。采用Snapgear Embedded Linux的方案能夠提供一個(gè)從內(nèi)核、庫(kù)文件到常用應(yīng)用程序的驗(yàn)證原型。然而，LEON硬件配置上的改變、升級(jí)需要驅(qū)動(dòng)程序的支持，定制的軟件也需要自主開(kāi)發(fā)。另外，在LEON平臺(tái)上移植并運(yùn)行良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有RTEMS和eCOS，根據(jù)實(shí)際的需求可以靈活選擇這些軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　通過(guò)詳盡的對(duì)比測(cè)試，LEON軟核的性能優(yōu)異，在導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片原型設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證。測(cè)試為基于LEON開(kāi)源可配置軟核的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟硬件配置方式提供了有益的參考，特別是集成浮點(diǎn)處理單元FPU的方案。隨著可編程器件規(guī)模的超大型化，實(shí)現(xiàn)高性能且配置靈活的開(kāi)源SoC硬件系統(tǒng)及軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)日益明顯。為制造ASIC提供前期原型論證提供極大方便。