基于FSL總線的UART外設(shè)IP核設(shè)計

　　引 言

　　在基于MicroBlaze的SOPC系統(tǒng)中，將用戶IP核整合到基于MicroBlaze的嵌入式軟核處理器系統(tǒng)中，通常有兩種方法：一種是將IP核連接到OPB總線；另一種是將用戶IP連接到MicroBlaze專用的FSL總線上。盡管OPB和FSL總線都是MicroBlaze軟核與FPGA其他片上邏輯資源連接的主要途徑，但它們的分工足不同的。OPB總線適用于將要求低速和低性能的設(shè)備連接到MicroBlaze系統(tǒng)中；而FSL總線則適用于將對時間要求高的用戶自定義IP核，整合到基于MicroBlaze的軟核系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)硬件加速。

　　在Xilinx公司提供的IP核中，有基于OPB總線的UART外設(shè)IP核，但是沒有基于FSL總線的IP核，使得該UART外設(shè)在對時間要求高的系統(tǒng)中性能受到制約。在這種情況下，有必要設(shè)計基于FSL總線的UART外設(shè)，以使得UART能夠在高速系統(tǒng)中發(fā)揮最佳性能。

　　Xilinx公司的MicroBlaze軟核是支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。MicroBlaze處理器可以運(yùn)行在150MHz時鐘下，提供125 DMIPS的性能，非常適合于設(shè)計針對網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)市場的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。

　　1 MicroBlaze體系結(jié)構(gòu)

　　1.1 MicroBlaze內(nèi)核結(jié)構(gòu)

　　MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，與其他外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并訪問其中的數(shù)據(jù)。內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 MicroBlaze的總線接口

　　MicroBlaze處理器軟核具有豐富的接口資源。最新版本的MicroBlaze軟核支持的總線接口有：

　　◆帶字節(jié)允許的OPB(On_chip Peripheral Bus，片上外設(shè)總線)V2.0接口；

　　◆高速的LMB(Local Memory Bus，本地存儲器總線)接口；

　　◆FSL主從設(shè)備接口；

　　◆XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx緩存鏈路)接口；
　
　　◆MDM(Microprocessor Debug Module，微處理器調(diào)試模塊)連接的凋試接口。

　　OPB是對IBM CoreConnect片上總線標(biāo)準(zhǔn)的部分實(shí)現(xiàn)，適用于IP核作為外設(shè)連接到MicroBlaze系統(tǒng)中；LMB用于實(shí)現(xiàn)對片上的BlockRAM的高速訪問；FSL是MicroBlaze軟核特有的一個基于FIFO的單向鏈路，可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義IP核與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的直接相連；而XCL則是MicroBlaze軟核新增加的，用于實(shí)現(xiàn)對片外存儲器的高速訪問。MicroBlaze軟核還有專門的調(diào)試接口，通過參數(shù)設(shè)置，開發(fā)人員可以只使用特定應(yīng)用所需要的處理器特性。

　　2 基于FSL總線的UART IP核設(shè)計

　　UART(Universal Asynchronous Receiver Transmit-ter，通用異步收發(fā)器)是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。串行外設(shè)用到的RS232-C異步串行接口，一般采用專用的集成電路(即UART)實(shí)現(xiàn)。8250、8251、NS16450 等芯片都是常見的UART器件，這類芯片已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，有的含有許多輔助的模塊(如FIFO)，有時并不需要使用完整的UART功能和這些輔助功能。如果設(shè)計上用到了FPGA器件，那么可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部。使用VHDL將UART的核心功能集成，從而使整個設(shè)計更加緊湊、穩(wěn)定且可靠。

　　2.1 UART的典型應(yīng)用

　　UART主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯、波特率發(fā)生器、發(fā)送部分和接收部分等組成。UART內(nèi)部所實(shí)現(xiàn)的功能包括微處理器接口、發(fā)送緩沖器、發(fā)送移位寄存器、幀產(chǎn)生、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)接收緩沖器、接收移位寄存器等。UART的典型應(yīng)用如圖2所示。

　　2.2 FSL總線接口

　　FSL總線是一個基于FIFO的單向點(diǎn)對點(diǎn)通信總線，主要用于FPGA的兩個模塊間進(jìn)行快速的通信。FSL接口的I／O信號如圖3所示。

　　該接口的主要特點(diǎn)：

　　◆單向的點(diǎn)對點(diǎn)通信；

　　◆非共享的無仲裁通信機(jī)制；

　　◆支持控制位與數(shù)據(jù)分離的通信；

　　◆基于FIFO的通信模式；

　　◆可配置的數(shù)據(jù)寬度；

　　◆高速的通信性能(獨(dú)立運(yùn)行達(dá)到600 MHz)。

　　2.3 FSL總線UART硬件設(shè)計

　　設(shè)計中的主要內(nèi)容是UART IP模塊和MicroBlaze之間的FSL總線接口，該接口提供了UART模塊與MicroBlaze之間通信的橋梁。Xilinx公司提供的IP核中包括基于OPB總線的UART模塊，但是沒有提供基于FSL總線的UART模塊。如果設(shè)計中需要在UART模塊和MicroBlaze之間進(jìn)行高速交互，設(shè)計一個基于FSL總線的UART無疑是最佳的選擇。UART經(jīng)過FSL總線與MicroBlaze的連接如圖4所示。

　　從圖4中可以看出：對于FSL1，MicroBlaze是主設(shè)備，UART模塊是從設(shè)備，MicroBlaze可以發(fā)送數(shù)據(jù)或者命令給UART模塊；而對FSL0來說，UART模塊是主設(shè)備，而MicroBlaze是從設(shè)備，UART模塊可以發(fā)送數(shù)據(jù)給MicroBlaze來處理。FSL0和FSL1構(gòu)成了一個FSL總線對，使得MicroBlaze和UART模塊可以進(jìn)行全雙工通信。其設(shè)計的頂層實(shí)現(xiàn)部分代碼如下：

　　2.4 FSL總線UART驅(qū)動設(shè)計

　　對用戶自己設(shè)計的IP核來說，如果要集成到SOPC系統(tǒng)中，就必須為該IP核開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序提供一組操作自定義IP核的操作宏，通過這些操作宏，軟件程序開發(fā)者可以在高層對IP核進(jìn)行操作。本設(shè)計中的驅(qū)動程序，提供了串口對字符或者字符串的發(fā)送和接收，用C語言來設(shè)計。部分驅(qū)動代碼如下：

　　3 FSL總線UART外設(shè)IP核的驗(yàn)證

　　3.1 硬件平臺

　　無論基于何種總線，用戶開發(fā)的IP核開發(fā)完畢之后，都要組建一個基本系統(tǒng)對IP核進(jìn)行驗(yàn)證。這個基本系統(tǒng)要包含必要的外設(shè)，重點(diǎn)對IP核的性能進(jìn)行測試。如果在測試中發(fā)現(xiàn)錯誤，則需修改錯誤然后導(dǎo)入到系統(tǒng)中，再進(jìn)行測試，直到滿足基本功能、達(dá)到設(shè)計預(yù)期目標(biāo)為止。如圖5所示，本驗(yàn)證平臺包括以下處理器和外設(shè)：MicroBlaze，數(shù)據(jù)指令BRAM，調(diào)試模塊，DCM模塊和用戶IP模塊。特別注意，增加了2條FSL總線組成一個FSL總線對，用于用戶IP與處理器進(jìn)行通信。

　　3.2 軟件開發(fā)

　　在上述硬件平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)一個基本的C程序，對FSL總線UART進(jìn)行測試。代碼如下：

　　打開串口調(diào)試工具，觀察到的結(jié)果如圖6所示。

　　通過驗(yàn)證，所設(shè)計的基于FSL總線的UART外設(shè)IP核達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可以集成到SOPC系統(tǒng)中正常工作。

　　結(jié) 語

　　通過本文的設(shè)計，給廣大SOPC設(shè)計人員一個提示：設(shè)計基于FSL總線的外設(shè)IP核，并通過FSL總線集成到SOPC系統(tǒng)中，可以顯著提高系統(tǒng)性能，而且設(shè)計過程不是很復(fù)雜，比較容易實(shí)現(xiàn)。