FSL總線IP核及其在MicoBlaze系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　引 言

　　隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，以FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)為代表的新一代可編程邏輯器件(PLD)的邏輯資源密度不斷增加，使得可編程技術(shù)很自然地就與系統(tǒng)芯片集成技術(shù)(SoC)的結(jié)合日益緊密，并逐步成為可配置平臺(tái)技術(shù)(configurable platform)的主流。

　　目前，各主要PLD廠商基于FPGA的可配置平臺(tái)雖然大都采用“微處理器十可編程邏輯”的架構(gòu)，但在開(kāi)發(fā)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，卻采用了各自不同的方式來(lái)整合處理器系統(tǒng)與片上的其他邏輯資源(大多數(shù)以用戶IP核形式出現(xiàn))。MicroBlaze軟核處理器是Xilinx公司為其FPGA器件開(kāi)發(fā)的，其特有的FSL(Fast Simplex Link，快速單向鏈路)總線，可以實(shí)現(xiàn)用戶IP核與軟核處理器的高速連接，為設(shè)計(jì)者提供了一條解決這類問(wèn)題的途徑。

　　1 MicroBlaze軟核處理器

　　1.1 概 述

　　MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器軟IP核。它采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個(gè)32位寬度的通用寄存器；在150 MHz的時(shí)鐘頻率下，最高可達(dá)到125 DMIPS的處理性能，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中省略了指令側(cè)的同類接口)。使用Xilinx公司提供的EDK(嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)套件)，可以在參數(shù)化的圖形界面下方便地完成嵌入式軟處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其突出的優(yōu)點(diǎn)，一是設(shè)計(jì)靈活性；二是可以整合用戶自定義IP核，使得算法可以在硬件中并行地執(zhí)行而不是在軟件中串行執(zhí)行，從而極大地加速軟件的執(zhí)行速度，即所謂的硬件加速。

　　1.2 MicroBlaze軟核總線接口

　　MicroBlaze軟處理器核具有豐富的接口資源。目前，最新版本的MicroBlaze軟核支持的接口標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器總線)接口；
　　◆FSL 主從設(shè)備接口；
　　◆XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx緩存鏈路)接口；
　　◆與MDM(微處理器調(diào)試模塊)連接的調(diào)試接口。
  
　　OPB是對(duì)IBM Core Connect片上總線標(biāo)準(zhǔn)的部分實(shí)現(xiàn)，適用于將IP核作為外設(shè)連接到MicroBlaze系統(tǒng)中。LMB用于實(shí)現(xiàn)對(duì)片上的blockRAM的高速訪問(wèn)。 FSL是MicroBlaze軟核特有的一個(gè)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(duì)片外存儲(chǔ)器的高速訪問(wèn)。MicroBlaze軟核還有專門(mén)的調(diào)試接口，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，開(kāi)發(fā)人員可以只使用特定應(yīng)用所需要的處理器特性。

　　1.3 MicroBIaze系統(tǒng)的硬件加速
  
　　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：一種方法是將IP核連接到OPB總線；第二種方法就是將用戶IP連接到MicroBlaze專用的FSL總線上。OPB與FSL比較如表1所列。

　　注：①數(shù)據(jù)分別來(lái)自opb_v20和FSL_v20數(shù)據(jù)手冊(cè)；

　　　?、谠摂?shù)據(jù)是在總線配置為1主2從情況下得到的；

　　　?、墼摂?shù)據(jù)對(duì)MicroBlaze軟核而言。

　　從表1可見(jiàn)，盡管OPB和FSL都是MicroBlaze軟核與FPGA其他片上邏輯資源連接的主要途徑，但其特點(diǎn)決定了分工是不同的：OPB 總線適用于將低速和低性能要求的設(shè)備連接到MicroBlaze系統(tǒng)中；而FSL總線則適用于將時(shí)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。

　　2 FSL總線

　　2.1 FSL總線接口
  
　　FSL總線是一個(gè)基于FIFO的單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信總線，主要用于FPGA的兩個(gè)模塊問(wèn)進(jìn)行快速的通信。FSL總線IP核結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)SL接口的I/O信號(hào)如表2所列。

　　該接口的主要特點(diǎn)：
  
　　◆單向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；
　　◆非共享的無(wú)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)。