KCPSM6PicoBlaze的原理與應(yīng)用※

魏厚剛，楊寬泗，孫武，張開(kāi)鋒

（中國(guó)人民解放軍75576部隊(duì)，?？?70236）

引 言

PicoBlaze 8位嵌入式處理器是Xilinx公司為Virtex、Spartan系列FPGA 和CoolRunner-II系列CPLD設(shè)計(jì)的嵌入式處理器軟核。針對(duì)不同的器件，Xilinx公司共推出了3 個(gè)版本的PicoBlaze，包括KCPSM3（目標(biāo)器件為Spartan 3、Virtex II、Virtex II PRO、Virtex 4和Virtex 5），CPLD版（目標(biāo)器件為CoolRunner-II）和最新推出的KCPSM6（目標(biāo)器件為Spartan 6、Virtex 6 和7 系列FPGA）。KCPSM6針對(duì)Spartan 6、Virtex 6和7系列FPGA 進(jìn)行了特殊優(yōu)化，增加了一些新特性，在開(kāi)發(fā)和調(diào)試方法上也與KCPSM3 有所不同。本文分析對(duì)比了其異同，對(duì)KCPSM6在開(kāi)發(fā)調(diào)試中的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，并在Avnet Spartan 6 MicroBoard上進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

1 KCPSM6PicoBlaze的體系結(jié)構(gòu)

KCPSM6PicoBlaze（以下簡(jiǎn)稱(chēng)KCPSM6）8位嵌入式處理器是Xilinx公司為Spartan 6、Virtex 6和7系列FPGA 設(shè)計(jì)的嵌入式處理器軟核，它具有效率高、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地嵌入到硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)與其他功能模塊的無(wú)縫連接［1］。它僅占用26個(gè)Slice和1個(gè)BRAM，占XC6SLX4器件4.3%的資源、XC6SLX150T 器件不到0.11%的資源。KCPSM6嵌入式處理器具有高達(dá)52～120 MIPS的指令執(zhí)行速度，具體速度取決于所選用的FPGA 所屬系列和器件速度等級(jí)。

KCPSM6微處理器主要由以下幾個(gè)單元組成：

◆兩組16個(gè)8位通用寄存器；

◆最高支持4KB的程序存儲(chǔ)單元；

◆8 位算術(shù)邏輯單元，帶有CARRY 和ZERO標(biāo)志位；

◆64、128或256字節(jié)內(nèi)部暫存RAM；

◆256個(gè)輸入和256個(gè)輸出端口，方便擴(kuò)展應(yīng)用；

◆中斷控制單元；

◆休眠模式，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

KCPSM6嵌入式處理器的原理框圖如圖1所示。

KCPSM6新增的特性和功能總結(jié)如下：

（1）新增引腳

圖1 KCPSM6嵌入式處理器原理框圖

sleep引腳。當(dāng)sleep引腳電平由低變高時(shí)，KCPSM6在執(zhí)行完最后一條已讀取指令后，進(jìn)入休眠模式，以降低系統(tǒng)功耗。若將sleep引腳一直置低電平，則KCPSM6一直處于正常工作狀態(tài)。

K＿write＿strobe為常量輸出觸發(fā)信號(hào)，與OUTPUTK指令配合使用，可用一條指令即可完成向輸出端口輸出常量值，而無(wú)需寄存器的干預(yù)。

bram＿enable為程序存儲(chǔ)單元BRAM 使能信號(hào)，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

Address［11：10］為程序存儲(chǔ)單元高位地址線，最大支持4KB程序存儲(chǔ)。

（2）新增屬性

KCPSM6新增了3個(gè)屬性，分別是hwbuild（與HWBULID指令配合使用，可用于定義軟件版本等功能）、interrupt＿vector（定義中斷矢量，默認(rèn)為0x3FF）和scratch＿pad＿memory＿size（定義內(nèi)部暫存RAM 大小，默認(rèn)為64B）。

（3）新增指令

KCPSM6指令集向下兼容KCPSM3的指令集，并新增了9 條指令，分別是TESTCY、COMPARECY、REGBANK、STAR、OUTPUTK、JUMP ＠、CALL ＠、LOAD＆RETURN 和HWBULID。新指令的擴(kuò)展，極大地改善了KCPSM6的編程靈活性和代碼效率。例如，向端口0x01 輸出0x5A，在KCPSM3 中需執(zhí)行兩條指令：“LOAD s0，5A”和“OUPUT s0，01”。而在KCPSM6 中，只需執(zhí)行“OUTPUTK 5A01”即可。其他新增指令的詳細(xì)功能，見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。

2 KCPSM6開(kāi)發(fā)與調(diào)試

KCPSM6 的開(kāi)發(fā)流程與 KCPSM3 基本相同。KCPSM6的開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 KCPSM6開(kāi)發(fā)流程示意圖

如圖2所示，用戶(hù)程序和ROM 模塊經(jīng)編譯器KCPSM6Assembler編譯后，生成包含程序代碼的ROM模塊。在頂層模塊中例化ROM 模塊和KCPSM6 模塊，然后綜合、實(shí)現(xiàn)并生成比特流下載到FPGA 中。在程序調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行反復(fù)修改，如果采用常規(guī)的方法，則每次修改用戶(hù)程序，都要重新綜合、布局布線，生成新的比特文件，往往需要幾分鐘到十幾分鐘，耗時(shí)耗力［2］，給調(diào)試帶來(lái)了極大不便。為此，與KCPSM3類(lèi)似，Xilinx公司也為KCPSM6提供了JTAG Loader工具，而采用JTAG Loader進(jìn)行調(diào)試則無(wú)需重新綜合、布局布線，通過(guò)JTAG 接口直接修改PicoBlaze的程序BRAM，只需幾秒即可完成程序更新，大大加快了調(diào)試進(jìn)度。

JTAG Loader的使用步驟如下：

①將代碼中的C＿JTAG＿LOADER＿ENABLE屬性設(shè)為“1”。

②綜合、實(shí)現(xiàn)生成比特流并下載到FPGA 中。

③將JTAG Loader.exe復(fù)制到當(dāng)前工程目錄下。

④打開(kāi)命令提示符，并切換到當(dāng)前目錄，運(yùn)行JTAG Loader（如果是64位操作系統(tǒng)則運(yùn)行JTAG Loader64），JTAG Loader自行識(shí)別目標(biāo)FPGA，如果報(bào)錯(cuò)顯示未知器件，則需要輸入其IR＿Length參數(shù)，該參數(shù)可以在ISE安裝目錄下查到，如：C：＼Xilinx＼13.2＼ISE＿DS＼ISE＼acecf＼data＼xccace.bsd文件中的attribute INSTRUCTION＿LENGTH of XCCACE：entity is 8，其他器件的查閱方法類(lèi)似。

⑤修改用戶(hù)程序，并用kcpsm6.exe重新編譯程序。

⑥運(yùn)行jtagloader–l your＿program.hex，即可實(shí)現(xiàn)一鍵更新程序。

另外，值得注意的是，使用JTAG Loader之前，必須正確設(shè)置系統(tǒng)的環(huán)境變量，具體方法是運(yùn)行ISE安裝目錄下C：＼Xilinx＼13.2＼ISE＿DS文件夾內(nèi)的settings32.bat批處理文件即可。

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證KCPSM6的新增功能及JTAG Loader的使用方法，本文在FPGA 開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了8 位LED 的控制——編者注：工程文件詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。綜合結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)共占用了35個(gè)Slice和2個(gè)RAMB 16BWERs單元，僅占XC6SLX75T-3FGG676總Slice數(shù)和BRAM 單元的1%。最后，將生成的比特流下載到開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證，LED 能夠按預(yù)期要求閃爍。修改用戶(hù)程序，重新編譯后，能夠用JTAG Loader快速更新程序。

結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述了Xilinx公司最新推出的KCPSM6軟核的結(jié)構(gòu)及原理，并與KCPSM3進(jìn)行了對(duì)比分析。介紹了KCPSM6的開(kāi)發(fā)調(diào)試流程，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。本文對(duì)已有KCPSM3 使用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者快速熟悉KCPSM6的應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有積極意義。

［1］Xilinx.PicoBlaze 8-bit Embedded Microcontroller User Guide［EB／OL］.（2011-07-22）［2010-09］.http：／／www.xilinx.com／support／documentation／ip＿documentation／ug129.pdf.

［2］鄭嘉平，孫迪鋒，劉傳，等.PicoBlaze軟核的仿真與調(diào)試［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（3）：74-75.