基于Microblaze軟核的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)講解了基于Xilinx Microblaze軟核開發(fā)的整個(gè)流程，包括硬件平臺(tái)搭建、軟件平臺(tái)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)的加載以及用非易失性存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置等內(nèi)容。利用FPGA軟核進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，將得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；軟核；片上可編程系統(tǒng)；可編程邏輯門陣列

引言
近十年來，F(xiàn)PGA行業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其在系統(tǒng)開發(fā)工作中的地位已從簡(jiǎn)單的膠合邏輯上升到了數(shù)字系統(tǒng)的核心處理器件?？删幊唐舷到y(tǒng)SOPC(Systern On Programmable Chip)將CPU核與外設(shè)核以及系統(tǒng)軟件集成到單一芯片中，幫助用戶快速“量身定制”所需要的產(chǎn)品，創(chuàng)造性地為用戶提供了基于FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)方案。
Xilinx公司作為FPGA嵌入式軟核解決方案商，在其所有系列的FPGA中提供了Microblaze 32位軟核處理器，并推出了用于嵌入式系統(tǒng)編程的EDK(Embedded Development Kit)集成開發(fā)解決方案。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)講解了基于Microblaze軟核開發(fā)的整個(gè)流程，包括硬件平臺(tái)開發(fā)、軟件平臺(tái)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)的加載以及用非易失性存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置等內(nèi)容。

1 Microblaze的體系結(jié)構(gòu)
Microblaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，在時(shí)鐘頻率為150 MHz的情況下可以達(dá)到125 DMIPS的性能，該處理器(版本7．30)具有以下一些特征：
①32個(gè)32位通用寄存器和最多18個(gè)專用寄存器；
②32位指令系統(tǒng)，支持3個(gè)操作數(shù)和2種尋址方式；
③分離的32位指令和數(shù)據(jù)總線；
④通過本地存儲(chǔ)器總線LMB直接訪問片內(nèi)的塊存儲(chǔ)器BRAM；
⑤具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存Cache，5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；
⑥自帶硬件調(diào)試模塊MIDM；
⑦帶有8個(gè)主／從快速單工鏈路接口。
圖1給出了Microblaze的內(nèi)部功能塊圖。

從圖1可以看出，Microblaze軟核與其他專用集成芯片的硬CPU核在結(jié)構(gòu)上沒有大的差別，但它卻可以通過PLB總線(Processor Local Bus )與EDK軟件包將自帶的各種軟外設(shè)進(jìn)行按需連接，并且支持用戶自定義IP通過PLB總線(Microblaze從7．30版本開始取消了原有的OPB總線)和FSL(Fast Simple Link)總線與Microblaze軟核連接，從而最大限度地發(fā)揮FPGA設(shè)計(jì)的靈活性。