一個(gè)針對(duì)FPGA的完全可配置嵌入式32位RISC處理器

　　使用嵌入式微處理器的FPGA設(shè)計(jì)不斷增長(zhǎng)。根據(jù)Dataquest的統(tǒng)計(jì)，一年大約啟動(dòng)10萬個(gè)FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其中約30％包含某種形式的微處理器。

　　形成這種趨勢(shì)有幾個(gè)方面的原因。首先，數(shù)據(jù)流應(yīng)用更適合可編程硬件，同時(shí)嵌入式微處理器更適合于執(zhí)行控制流的應(yīng)用。第二，要改變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，嵌入式處理器呈現(xiàn)更大的靈活性。最后，用軟核的嵌入式微處理器消除了處理器過時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。從傳統(tǒng)上而言，對(duì)嵌入式FPGA微處理器有一些限制，包括成本，速度和設(shè)計(jì)性能。隨著工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，這些限制正在不斷改善，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員更有可能在他們的應(yīng)用中考慮使用嵌入式FPGA微處理器。

　　與過去相比，現(xiàn)成的微處理器已經(jīng)大大比嵌入式微處理器便宜。但是，今天的低成本FPGA被證明是一個(gè)節(jié)約成本的解決方案。如果設(shè)計(jì)中已經(jīng)使用了FPGA，處理器可以整合到現(xiàn)有的FPGA架構(gòu)，節(jié)省了分立器件或新的FPGA成本。設(shè)計(jì)周期也是一個(gè)重要的因素。將硬件與微處理器子系統(tǒng)構(gòu)成相關(guān)的架構(gòu)并進(jìn)行實(shí)施能有多快？編寫，測(cè)試和在微處理器上調(diào)試運(yùn)行的代碼需要多久？在過去幾年中，在整體功能和易用性方面，針對(duì)嵌入式微處理器開發(fā)的軟件工具也有了明顯的改善。因此，現(xiàn)在可以在幾分鐘內(nèi)運(yùn)行設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行測(cè)試。產(chǎn)品上市的時(shí)間縮短了，因?yàn)楝F(xiàn)在用軟件實(shí)現(xiàn)功能比硬件更快，更簡(jiǎn)單。

　　用現(xiàn)成的微處理器達(dá)到的性能有良好的歷史記錄。隨著技術(shù)的改進(jìn)，F(xiàn)PGA在功能和整個(gè)系統(tǒng)的速度方面有了顯著的進(jìn)步。由于現(xiàn)在的FPGA能夠處理更大的帶寬，嵌入式處理器對(duì)于許多設(shè)計(jì)有很大的吸引力。此外，由于FPGA與其他專用模塊的緊密配合，軟IP核的擴(kuò)展性提供了一個(gè)系統(tǒng)接口，就性能和吞吐量方面而言，現(xiàn)在一個(gè)片上處理器可以提供卓越的設(shè)計(jì)方案。

　　當(dāng)評(píng)估諸如LatticeMico32這樣的特殊處理器時(shí)，使用嵌入式軟處理器的優(yōu)點(diǎn)非常清楚。

　　一個(gè)典型的嵌入式處理器子系統(tǒng)

　　讓我們來看看一個(gè)典型的嵌入式處理器子系統(tǒng)，例如，LatticeMico32軟處理器。該處理器需要有能與外界通信的功能，因此通常核連接到一個(gè)片上總線系統(tǒng)，在此情況下是WISHBONE開放源代碼總線。然后還需要一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)，用來保存處理器程序代碼以及處理器核使用的數(shù)據(jù)。對(duì)外部通信而言，在一個(gè)典型的系統(tǒng)中有各種接口，從簡(jiǎn)單的通信接口和連接、更復(fù)雜的協(xié)議到應(yīng)用中的專用硬件模塊?，F(xiàn)在該處理器總線架構(gòu)需要連接外設(shè)和存儲(chǔ)器系統(tǒng)。一個(gè)典型的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型的嵌入式RISC處理器子系統(tǒng)

　　讓我們來看看處理器核本身：LatticeMico32是基于哈佛總線結(jié)構(gòu)的RISC架構(gòu)的微處理器（圖2）。 RISC體系結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的指令集和更快的性能。哈佛總線架構(gòu)提供獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)總線，能夠執(zhí)行單周期指令。該處理器擁有32個(gè)通用寄存器，可處理多達(dá)32個(gè)外部的中斷。定制的處理器可以插入乘法器或桶形移位器，以及不同的調(diào)試功能。

圖2 LatticeMico32：一個(gè)可配置的RISC處理器核

　　Mico32可以用于各種存儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)使用內(nèi)嵌存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。內(nèi)嵌存儲(chǔ)器可以建立一個(gè)本地哈佛結(jié)構(gòu)，并允許單周期訪問指令和數(shù)據(jù)。對(duì)于更大的存儲(chǔ)器需求，處理器通過一個(gè)仲裁器連接到其他的存儲(chǔ)器模塊或接口。這可以是用FPGA的存儲(chǔ)器資源來實(shí)現(xiàn)的 “片上”存儲(chǔ)器，或接口至外部存儲(chǔ)器，諸如SSRAM、Flash和DRAM。處理所有訪問協(xié)議至外部存儲(chǔ)器的合適接口模塊是由MSB提供的。提供可選的指令和數(shù)據(jù)高速緩存，能夠配置成各種選擇（高速緩存的大小，高速緩存塊的大小等等）。

　　通過一個(gè)開放源碼Wishbone總線接口，該處理器連接到各種外圍元件。針對(duì)快速周轉(zhuǎn)周期，圖形用戶界面可以輕松和快速地創(chuàng)建處理器平臺(tái)。除了標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器控制器，這可能包括各種接口，不僅支持I2C、通用IO、定時(shí)器，UART以及SPI，還能支持更復(fù)雜的模塊，如PCI接口或TriSpeed以太網(wǎng)MAC。

　　直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）控制器是可用的，添加主器件（master）至Wishbone總線，以免除處理器的數(shù)據(jù)傳輸工作。這也允許有DMA功能的外設(shè)高效地直接傳輸數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)系統(tǒng)，從而節(jié)省了片上總線的帶寬。

　　除了外圍元件和DMA，用戶可以自定義仲裁方案?？偩€結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器支持主器件（master）方和從器件(Slave)方的總線仲裁。如果能夠滿足系統(tǒng)性能的要求，主器件方總線仲裁提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本解決方案。然而，如果在設(shè)計(jì)中有多個(gè)總線主器件和多個(gè)從器件，在任何時(shí)間主器件方總線仲裁限制與單總線主器件通信。在許多設(shè)計(jì)中，通過兩個(gè)或兩個(gè)以上的總線主器件同時(shí)與獨(dú)立的從器件進(jìn)行通信，從器件方仲裁改進(jìn)了性能。圖3展示了可用的仲裁方案。　

圖3 仲裁方案

　　用戶還可以創(chuàng)建自己的基于Wishbone總線的外設(shè)元件，然后通過整合到MSB自動(dòng)連接到總線。因此，LatticeMico32的架構(gòu)提供了兩種可能性：第一，人們可以創(chuàng)建定制的元件，將它放人MSB中的可用元件列表（圖4）。第二，可以構(gòu)建出所謂的Passthru元件，可以將Wishbone接口引出到核的外面，因此，用戶可以在FPGA的其他部分添加任何邏輯塊。 　　

圖4 創(chuàng)建定制的外圍組件

　　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)，以及訪問更大的存儲(chǔ)器（可能是片外）。從FPGA訪問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?？梢杂糜布浅Ｓ行У貙?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，使代碼的開發(fā)針對(duì)運(yùn)行于用MSB構(gòu)建的平臺(tái)?？梢酝ㄟ^C/C++ SPE來完成，用MSB構(gòu)建的平臺(tái)可以作為參考?！?/P>

• 　　調(diào)試器和Reveal邏輯分析器

　　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)開放源碼許可證。萊迪思的開放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)配置類似于完整的配置，但沒有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)開放源代碼許可證和軟件開發(fā)工具各自的開放源代碼許可證，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?！?/P>