針對(duì)FPGA的完全可配置嵌入式32位RISC處理器

　　這些配置選項(xiàng)能夠針對(duì)不同的應(yīng)用定制LatticeMico32。帶寬范圍從小的和片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器面積優(yōu)化的控制器到具有多個(gè)接口的全功能平臺(tái)，以及訪問(wèn)更大的存儲(chǔ)器（可能是片外）。從FPGA訪問(wèn)其他的邏輯模塊還允許處理器系統(tǒng)和FPGA專用模塊之間的密切互動(dòng)，以便進(jìn)一步改進(jìn)性能。取消了傳統(tǒng)上使用并行于FPGA的外部控制器的復(fù)雜訪問(wèn)機(jī)制。 　　　

　　可擴(kuò)展性

　　由于處理器代碼是可讀的Verilog RTL代碼，用戶可以輕松識(shí)別IP功能塊,諸如取指令單元，指令譯碼或ALU，以及各種流水線階段。因此，通過(guò)定制指令，這些也可以修改和增強(qiáng)。用戶也可以執(zhí)行操作碼。因此，在指令字中，LatticeMico32提供了備用的操作碼域。

　　遵照以下一些基本的步驟，可以構(gòu)建自定義指令：

• 　　增強(qiáng)的指令譯碼器。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，提取內(nèi)部操作碼的功能，并生成需要整合此命令至LatticeMico32的所有必須的控制信號(hào)。
• 　　寫(xiě)功能的實(shí)現(xiàn)并將其整合至LatticeMico32 的ALU。
• 　　對(duì)于多周期命令，構(gòu)建必要的拖延信號(hào)，以便妥善處理處理器流水線。
• 　　如果需要其他的專門(mén)邏輯（例如額外的專用寄存器），這可以單獨(dú)的添加到核。

　　通過(guò)定制指令和添加定制外設(shè)，擴(kuò)展處理器核是一個(gè)非常有效的方式，用來(lái)定制處理器的核以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求。通常情況下，一些專門(mén)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)比軟件更好?；虿⑿刑幚砜梢垣@得額外的性能。這種機(jī)制能夠無(wú)縫集成硬件加速模塊至處理器架構(gòu)。這將保持用同樣的方式處理這些部件的功能，如同正常的軟件代碼或使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

　　對(duì)于需要數(shù)據(jù)/信號(hào)處理功能的應(yīng)用，往往需要組合RISC處理器的功能和DSP，以達(dá)到系統(tǒng)的性能和吞吐量。添加擴(kuò)展和定制元件還可以包括信號(hào)處理單元。可以用硬件非常有效地實(shí)現(xiàn)，使用專用的DSP塊，諸如乘/累加，用各種FPGA的硬件都可以實(shí)現(xiàn)這些功能。

　　設(shè)計(jì)環(huán)境

　　LatticeMico32系統(tǒng)擁有三個(gè)集成工具：

• 　　MicoSystem　Builder（MSB）

　　針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)，MSB產(chǎn)生平臺(tái)描述和相關(guān)的硬件描述語(yǔ)言（HDL）代碼。設(shè)計(jì)人員可以選擇連接到微處理器的外圍組件，以及指定它們之間的連接。

• 　　C/C++軟件工程環(huán)境（SPE）

　　C/C++ SPE調(diào)用編譯器，匯編器和連接器，使代碼的開(kāi)發(fā)針對(duì)運(yùn)行于用MSB構(gòu)建的平臺(tái)?？梢酝ㄟ^(guò)C/C++ SPE來(lái)完成，用MSB構(gòu)建的平臺(tái)可以作為參考?！?ul>

　　在C/C + +源代碼調(diào)試器提供匯編中的調(diào)試功能，并能夠觀察處理器的寄存器和存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)人員還可以使用萊迪思的Reveal邏輯分析器觀察和控制硬件中代碼的執(zhí)行情況。

　　所有的工具和IP已完全納入萊迪思的ispLEVER FPGA軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，這使得通過(guò)整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)流程快速的進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些工具也有利于有效地使用FPGA的資源。

　　在構(gòu)建過(guò)程中，用完全可讀的RTL Verilog源代碼創(chuàng)建處理器的代碼及其外圍設(shè)備。提供用于綜合和仿真的腳本，約束文件關(guān)注硬件的設(shè)置和引腳。

　　目前有3種操作系統(tǒng)： Theobroma Systems的uClinux 和U-Boot、Micriμm的μC/OS-II RTOS和TOPPERS/JSP的μITRON RTOS。

　　LatticeMico32提供了一個(gè)開(kāi)放源碼許可證。萊迪思的開(kāi)放IP核許可協(xié)議將與MSB工具生成的HDL代碼一起使用。大部分圖形用戶界面將在Eclipse的授權(quán)許可下使用，同時(shí)對(duì)軟件的內(nèi)部運(yùn)作，如編譯器、匯編器，連接器和調(diào)試器，許可協(xié)議將遵循GNU－GPL。

　　因?yàn)檫@是開(kāi)放源碼軟IP，這個(gè)處理器的IP核還可以免費(fèi)遷移到其他技術(shù)并加以實(shí)現(xiàn)。

　　性能和資源利用

　　LatticeMico32提供高性能和盡可能高的資源利用率。對(duì)于關(guān)心資源的設(shè)計(jì)人員，基本配置不使用任何指令或數(shù)據(jù)高速緩存，單周期移位器，也沒(méi)有乘法器。對(duì)于那些更關(guān)注性能的設(shè)計(jì)人員，全配置使用8KB的指令高速緩存，8K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩存，3個(gè)周期的移位器和一個(gè)乘法器。對(duì)于需要采用折衷方法的用戶，標(biāo)準(zhǔn)配置類(lèi)似于完整的配置，但沒(méi)有8K字節(jié)的高速數(shù)據(jù)緩存。表1展示了針對(duì)LatticeECP3 FPGA的資源利用率和性能。

表1 LatticeMico32資源利用率和使用LatticeECP3的性能

　　總結(jié)

　　LatticeMico32是一個(gè)完整的嵌入式微處理器設(shè)計(jì)方案。它提供了一個(gè)靈活的架構(gòu)，并允許用戶定制處理器系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)的要求（性能、成本、功耗）。處理器的IP和專用硬件的密切配合提供了一個(gè)易于使用的環(huán)境，這也可顯著提升系統(tǒng)的性能，使設(shè)計(jì)擁有很大的靈活性。

　　LatticeMico32開(kāi)發(fā)工具可以很容易地在FPGA中實(shí)現(xiàn)一個(gè)微處理器和與之連接的外圍元件。易用性確保最少的設(shè)計(jì)時(shí)間，從而使得產(chǎn)品能夠更快的上市。　

　　根據(jù)開(kāi)放源代碼許可證和軟件開(kāi)發(fā)工具各自的開(kāi)放源代碼許可證，如Eclipse和GNU - GPL，提供生成的HDL，萊迪思可以讓用戶完全控制其設(shè)計(jì)。開(kāi)放源代碼為設(shè)計(jì)人員提供所需要的可視性，靈活性和便攜性。