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《基于XILINX FPGA嵌入式系统设计与开发》第七章 第七章 嵌入式软核MicroBlaze 从本章开始，我们将系统的介绍Xilinx MicroBlaze，包括MicroBlaze系统结构、LMB总线、PLB总线、AXI总线、FSL及其开发环境XPS和SDK。
7.1可编程片上系统
可编程片上系统芯片SOPC（System On a Programmable Chip）是Altera公司于2000年提出的一种灵活高效的SOC解决方案，SOPC利用可编程逻辑技术把整个电子系统集成在一个单片上，是一种特殊的嵌入式系统芯片。与可编程逻辑器件一样，SOPC的设计也仅需完成前端设计，故其设计投入比较少，设计方法灵活，SOPC的系统功能可裁减、易扩充，结合了SOC和CPLD、FPGA的优点。作为一种系统级芯片，SOPC具有低的设计成本和开发风险，从而获得广泛的应用。
7.1.1 硬核处理器
硬核处理器，如PowerPC、ARM处理器。硬核处理器的优势在于工作频率高，接口丰富。硬核处理器在可编程器件中不能进行裁剪，用户不能对其进行修改，同时也一直固化在可编程逻辑器件中。因此在选择FPGA器件时需要考虑器件对硬核处理器的支持。目前Xilinx公司支持硬核处理器的器件有Virtex-4，Virtex-5。对于ARM来说，Xilinx公司最新的Zynq-7000已经支持ARM® Cortex™-A9 MPCore。
7.1.2 软核处理器
软核处理器，如Xilinx公司的MicroBlaze、Altera公司的Nios II。软核处理器的最大优势是在于用户可行裁剪设计。软核处理器一般都是可配置的通用RISC处理器，很容易的与用户设计的逻辑相结合，集成到Xilinx/Altera FPGA器件中。
7.1.3 可编程片上系统优缺点
随着微电子工艺的迅速发展，可编程器件资源规模越来越大。在拥有大规模的逻辑资源、存储资源、DSP资源后，相比以前的规模，可编程逻辑器件可以做更多事情。将软核、硬核和用户逻辑资源进行无缝的连接，可缩短系统产品的开发周期、降低设计风险和成本。但是，对于大容量的可编程器件，必定需要更多的供电电源、IO管脚。因此，在板级设计，必须考虑信号完整性。在逻辑设计，逻辑开发人员需要注意时序约束的问题。
7.2 MicroBlaze介绍
MicroBlaze™ 在基于 FPGA 的软核处理器领域中处于业界领先地位，可提供高级架构选项，如 AXI 或 PLB 接口、存储器管理单元 (MMU)、指令和数据端缓存、可配置的流水线深度和浮点单元 (FPU) 等。MicroBlaze 是Xilinx免费提供的32位 RISC哈佛架构软核处理器。它具有极其灵活的架构以及丰富的指令集，是专为嵌入式应用优化而设计的，能够以最低系统成本为开发人员提供精密的处理系统。
7.2.1 MicroBlaze系统构架 作为完整的CPU，通过Xilinx公司提供的软核开发环境，用户可以根据需求进行自定义配置，对于Xilinx XPS 13.2软件支持的软核版本为V8.2，目前最新的版本为V8.4(XPS 14.4)。了解MicroBlaze基本结构不但有助于用户了解配置，还可以在开发过程中，更深入的优化软核配置及其软件效率。对于开发者而言，选择不同的器件，得到软核的性能是不一样的。如表7-1所示，Blaze在各个器件中的性能。 表7-1 MicroBlaze性
MicroBlaze 处理器 v8.40.b 的性能级别 (v14.4 XPS) | 器件系列 | 性能优化的 MicroBlaze 添加分支优化功能 (5 级流水线) 1.38 DMIPs/MHz | 性能优化的 MicroBlaze (5 级流水线) 1.30 DMIPs/MHz | 面积优化的 MicroBlaze (3 级流水线) 1.03 DMIPS/MHz | Zynq-7000 SoC (-3) | 228DMIPs | 259DMIPs | 196DMIPs | Virtex-7 FPGA (-3) | 293DMIPs | 393DMIPs | 264DMIPs | Kintex-7 FPGA (-3) | 317DMIPs | 408DMIPs | 264DMIPs | Virtex-6 FPGA (-3) | 306DMIPs | 384DMIPs | 246DMIPs | Spartan-6 FPGA (-4) | 166DMIPs | 209DMIPs | 152DMIPs |
MicroBlaze软核采用了RISC架构，以及哈佛结构的32位指令和数据总线。其结构如图7-1所示。
图7-1 MicroBlaze结构示意图 MicroBlaze结构由下述部分组成 - ALU，完成大部分指令执行；
- Shift，移位寄存器，执行普通的左移、右移指令；
- Barrel Shift，桶形移寄存器，执行桶形移位指令；
- Multiplier，乘法器，MicroBlaze提供32*32位定点乘法器单元，支持流水线操作；
- Divider，除法器，MicroBlaze提供一个32*32位定点除法器单元；
- Special Purpose Registers，特殊寄存器组；
- Registers File，通用寄存器组，由32个32位寄存器组成，标号为R0~R31；
- MicroBlaze总线接口由包括了数据总线、指令总线，支持IBM PLB总线和ARM AXI总线以及本地总线LMB。
MicroBlaze内核有如下特性与选项， - 容错性，其中包括纠错码 (ECC) 和锁步支持
- LMB BRAM 存储器
- 对内部 BRAM 和高速缓存进行校检保护
- 浮点单元 (FPU)
- IEEE 754 兼容的
- 单精度
- 内存管理单元（MMU）
- 带有受 Linux 支持的虚拟存储器的全 MMU
- MPU 模式，可以实现安全 RTOS 应用的区域保护
- 指令和数据高速缓存
- 高速缓存尺寸可配置：2kB - 64kB（基于块 RAM）
- Microcache 尺寸可配置：64B – 1024B（基于分布式 RAM）
- 直接映射的直写或回写操作
- Victim 高速缓存尺寸可配置：2、4或8条高速缓存线路
- 指令流缓冲器
- 分支优化
- 分支预测逻辑
- 分支目标高速缓存
- 执行硬件加速
- 柱式移位器（单周期操作）
- 整除（32 周期操作）
- 乘法（单周期操作）
- 指令集扩展
- 模式比较指令
- 机器状态寄存器设置和清空
- 原子存取
- 提供 Endian 转换支持
- 硬件异常支持
- 非对齐访问
- 非法指令
- 数据总线误差
- 指令总线误差
- 除法异常
- 浮点异常
- FSL 异常
- MMU 异常
- 中断信号-边缘或电平
- 调试逻辑
- 通过调试支持内核实现 JTAG 控制
- 硬件断点多达8个
- 硬件监视点多达8个
7.2.2 基于MicroBlaze系统开发流程
对于MicroBlaze开发，我们主要是在Xilinx提供的EDK环境(包括XPS构建硬件平台、SDK编写软件应用程序)进行开发，对于系统级构建，可以联合ISE进行，相互嵌套。 在Xilinx MicroBlaze开发中，开发者可以自定义处理器中的硬件逻辑子系统，这种定制是不能使用标准的现场微处理器或者控制芯片。硬件平台可以灵活设计为嵌入式系统中的子模块。硬件平台是由一个或者多个处理器core通过总线和外围设备相连接，XPS软件对其硬件平台的描述文件(Microprocessor Hardware Specification, .MHS)进行跟踪。 在软件开发时，板级支持包(Board Support Package, BSP)，是集软件驱动器、操作系统(可选)来建立开发者的应用程序。在创建软件之前，硬件平台导入SDK时，必须建立BSP。Xilinx 嵌入式开发流程如图7-2所示。 附件一会儿上传 | 
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发表于 2014-2-18 14:16:37
