基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)研究

防空兵指揮學(xué)院 張春生

基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)研究

防空兵指揮學(xué)院 張春生

一、SOPC簡介

近年來，隨著微電子工業(yè)的不斷發(fā)展，作為可編程邏輯器件之一的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計性能及性價比已完全能夠與ASIC抗衡。SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）技術(shù)正是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS和UART等系統(tǒng)設(shè)計所需要的部件集成到一片F(xiàn)PGA器件上，各個部件一般都以IP核的形式構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)，它所具有的靈活性、低成本等特點(diǎn)使系統(tǒng)設(shè)計者獲益匪淺。

二、SOPC關(guān)鍵技術(shù)

SOPC的主要設(shè)計技術(shù)可簡單地歸納為兩點(diǎn)：軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)和IP核資源復(fù)用技術(shù)。

1.軟硬件協(xié)同設(shè)計。開發(fā)一個電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的做法是由項(xiàng)目總工程師根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的劃分，然后交由軟件和硬件兩個獨(dú)立的設(shè)計組，各自進(jìn)行軟件和硬件的開發(fā)，開發(fā)完成后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，在調(diào)試時如果發(fā)現(xiàn)有錯則要對硬件或軟件進(jìn)行修改或重新設(shè)計，這個過程要不斷反復(fù)的進(jìn)行，直到調(diào)試成功為止，其結(jié)果會導(dǎo)致開發(fā)周期變長、設(shè)計成本劇增。

在軟硬件協(xié)同設(shè)計中，并行性是軟硬件協(xié)同設(shè)計思想的核心，軟件和硬件設(shè)計組不再是兩個獨(dú)立的設(shè)計單元，而是在設(shè)計之初便交織在一起，相互提供設(shè)計平臺并相互作用。并行的設(shè)計思想始終貫穿于整個設(shè)計之中。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的好處是可以使軟件設(shè)計者在硬件開發(fā)之初就接觸到硬件，從而能更好地設(shè)計硬件驅(qū)動、應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)等軟件，同時也可使硬件設(shè)計者盡早地接觸軟件并了解軟件的結(jié)構(gòu)，從而為軟件設(shè)計者提供高性能的硬件平臺，減少了設(shè)計中的盲目性，縮短了設(shè)計的迭代周期。

2.IP核資源復(fù)用。IP核是SOPC設(shè)計的基礎(chǔ)，也是SOPC設(shè)計成敗的關(guān)鍵，為了能夠最大程度地減小設(shè)計中的重復(fù)勞動，保證SOPC開發(fā)的成功，我們必須采用前人成功的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計資料即復(fù)用IP資源進(jìn)行開發(fā)。IP資源復(fù)用包含兩個方面的內(nèi)容：一是可重用IP核的開發(fā)；二是可重用IP核的集成。一個真正能重用的IP核一般具有一以下一些特點(diǎn)：具有可配置性，能夠滿足不同的設(shè)計需求；具有標(biāo)準(zhǔn)的接口；遵守某種設(shè)計規(guī)則，能確保IP時序收斂；交付的數(shù)據(jù)和資料完整，方便芯片集成。

三、基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)

進(jìn)行SOPC系統(tǒng)開發(fā)，首先是要選擇的是FPGA平臺、處理器方案以及開發(fā)軟件，目前經(jīng)常采用的是由世界上兩大主要的FPGA器件生產(chǎn)廠商所提供的平臺：一是Altera公司的FPGA產(chǎn)品，采用Nios處理器軟核或硬核ARM，開發(fā)工具為QuartusⅡ和SOPC Builder；二是采用Xilinx公司的FPGA，基于Microblaze軟核或Powerpc405硬核，開發(fā)工具由ISE和EDK組成。下面就以Xilinx公司的軟件EDK為例介紹SOPC系統(tǒng)的開發(fā)過程。

1.EDK簡介。EDK是Xilinx公司于2003年推出的一個SOPC系統(tǒng)開發(fā)套件，現(xiàn)已進(jìn)行了多次升級。該套件集成了豐富的開發(fā)工具和大量的IP核資源，其中集成的工具包括硬件平臺生成器（PlatGen）、硬件仿真模型生成器（SimGen）、硬件調(diào)試工具（XMD）、軟件庫生成器（LibGen）、應(yīng)用軟件編譯工具（GNU Compilers）、軟件調(diào)試工具（GNU Debuggers）等。IP核資源包括LMB、OPB總線接口、外部存儲器控制器（EMC）、SDRAM控制器、UART接口、中斷控制器和定時器等。所有這些工具和資源由EDK中的一個叫平臺工作室XPS（Xilinx Platform Studio）的集成開發(fā)環(huán)境統(tǒng)一管理，XPS提供一個友好的圖形用戶界面（GUI），使用非常方便。EDK可以說是目前性價比較優(yōu)異的SOPC開發(fā)套件。

2.基本流程。使用EDK進(jìn)行SOPC系統(tǒng)開發(fā)的基本流程如下。

（1）系統(tǒng)硬件平臺的創(chuàng)建。系統(tǒng)硬件平臺由處理器硬件描述文件MHS（Microprocessor Hardware Specification）定義，MHS文件描述了硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如處理器類型、總線結(jié)構(gòu)、外設(shè)接口、中斷處理和地址映射等，MHS文件為文本文件，可以用任何文本編輯器創(chuàng)建，是文本化的原理圖輸入。系統(tǒng)的各組成模塊必須在BEGIN和END之間定義，其語法格式如下所示：

BEGIN instance_name

PARAMETER name=value

PORT name=value

END

在XPS開發(fā)環(huán)境中，設(shè)計者可以在集成的文本編輯器中自己編寫MHS文件來創(chuàng)建一個硬件平臺，也可以利用BSB（Base System Builder）向?qū)韯?chuàng)建一個基本的硬件系統(tǒng)，在BSB向?qū)У膱D形界面下，設(shè)計者可以很方便挑選系統(tǒng)的組成模塊，但存在不足是：不允許設(shè)計者指定或修改地址映射；不會去檢查目標(biāo)器件上的硬件資源是否足夠且生成的只是一個具有基本功能硬件系統(tǒng)，不一定能滿足時序的要求。這些不足必須在XPS環(huán)境下通過手工修改以滿足系統(tǒng)要求。在系統(tǒng)硬件描述文件編寫完成后，調(diào)用硬件平臺生成器（PlatGen），就可以完成系統(tǒng)硬件平臺的創(chuàng)建，PlatGen將輸出網(wǎng)表文件（EDIF或NGC）、硬件描述語言描述的系統(tǒng)文件、存儲器映射文件（BMM）等內(nèi)容，其過程如圖1所示。

（2）系統(tǒng)硬件平臺的仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)的硬件平臺的仿真驗(yàn)證由處理器驗(yàn)證描述文件MVS（Microprocessor Verification Specification）定義，它用于說明當(dāng)前處理器平臺的硬件仿真模型、使用的仿真工具和仿真語言。通過調(diào)用硬件仿真模型生成器（SimGen）來生成仿真文件，如圖2所示。EDK只支持功能仿真和時序仿真，其中功能仿真又包括行為仿真和結(jié)構(gòu)仿真。

系統(tǒng)軟件平臺的創(chuàng)建。系統(tǒng)軟件平臺由處理器軟件描述文件MSS（Microprocessor Software Specification）定義，MSS文件用于描述系統(tǒng)硬件處理器平臺的軟件結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)驅(qū)動、軟件庫及文件系統(tǒng)，跟MHS文件一樣，它也是個文本文件，可用任何一個文本編輯器來創(chuàng)建，其語法格式如下：

BEGIN{driver |processor |filesys}

PARAMETER name= value

END

MSS文件可以在XPS環(huán)境下編寫，同時BSB向?qū)г谏捎布到y(tǒng)時也生成一個相應(yīng)的MSS文件。MSS文件編寫完成后，通過調(diào)用軟件庫生成器（LibGen）便可完成軟件平臺的創(chuàng)建，LibGen輸出設(shè)備驅(qū)動程序、函數(shù)庫和中斷句柄等工作。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)與調(diào)試。程序編寫完成后通過調(diào)用應(yīng)用軟件編譯工具GNU進(jìn)行編譯鏈接生成用戶可執(zhí)行文件（*.elf）。程序編譯完成后，將系統(tǒng)的硬件和軟件下載到目標(biāo)器件中，通過硬件調(diào)試工具XMD和GDB進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試。

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