基于OR1200的SoC程序無線智能加載系統(tǒng)設(shè)計及驗證

黃誠+唐明華

摘要：SoC是當(dāng)前微電子芯片發(fā)展的趨勢，然而由于受帶開發(fā)環(huán)境的PC終端、額外硬件接口、連接線等條件的約束，很難支持SoC產(chǎn)品的二次開發(fā)。本文提出一種SoC無線程序加載系統(tǒng)設(shè)計方案，通過無線控制實現(xiàn)不同程序的加載，不需要添加額外的接口與復(fù)雜的模塊，不需要連接下載線和IDE開發(fā)環(huán)境等工具，簡化了芯片的二次開發(fā)，增加了芯片的利用率、，并且在FPGA板上測試通過。

關(guān)鍵詞：二次開發(fā)；無線程序加載：開發(fā)環(huán)境；芯片利用率

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.012

引言

隨著SoC技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品在市場上的占用比例也越來越大。對于SoC的開發(fā)流程，它需要有一套相應(yīng)的IDE開發(fā)工具，包括裝有配套開發(fā)環(huán)境的PC、硬件接口和連接線。開發(fā)完成后應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，但是由于受帶開發(fā)環(huán)境的PC終端、電路板、連接線等條件的約束，一般很難支持二次開發(fā)。

為了解決上述技術(shù)問題，本文提出一種能方便實現(xiàn)二次開發(fā)、芯片利用率高的基于SoC的無線智能程序加載方法。使用帶藍(lán)牙功能的終端發(fā)送不同的命令即可選擇flash程序區(qū)中不同的程序加載到內(nèi)存模塊，通過無線控制實現(xiàn)不同程序的加載，不需要添加額外的接口與復(fù)雜的模塊，不需要連接下載線和IDE開發(fā)環(huán)境等工具，并提供一種無線智能程序加載SoC系統(tǒng)。經(jīng)過在FPGA開發(fā)板上測試，該方法能很好地應(yīng)用在智能終端領(lǐng)域中，例如智能玩具小車，主控采用本發(fā)明的SoC芯片，就能設(shè)定小車的三種工作場景

遙控控制小車、小車自動避障和小車循跡，通過帶藍(lán)牙的終端向主控發(fā)送相應(yīng)的命令就能改變小車的工作模式，增加小車的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文中的無線智能程序加載SoC系統(tǒng)包括時鐘模塊、處理器模塊、只讀存儲器ROM模塊、Wishbone總線仲裁模塊、SPI控制器模塊、內(nèi)存DDR2模塊和通用異步收發(fā)傳輸器UART模塊。所有模塊均通過Wishbone總線連接到處理器?？偩€仲裁采用輪循機制實現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的訪問。本系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的把一個程序存儲在flash中，當(dāng)燒錄下一個程序時就會覆蓋上一個程序的做法，而是把flash劃分成三個程序區(qū)，燒錄flash時，把不同的程序放在不同的程序區(qū)。當(dāng)從SPl flash啟動時，程序指針首先指向只讀存儲器ROM里的bootload區(qū)，以完成程序從flash拷貝到內(nèi)存，再從內(nèi)存開始執(zhí)行指令。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上增加了bootload的功能，不僅能完成程序的拷貝，還能監(jiān)測串口，根據(jù)收到的命令選擇一個程序區(qū)的程序拷貝到內(nèi)存，使得芯片封裝好之后，無需接線，無需相應(yīng)的IDE軟件來加載程序，通過手機或帶有藍(lán)牙模塊的終端就可以加載不同的程序，簡化芯片的二次開發(fā)，在智能終端領(lǐng)域能有很好的應(yīng)用?？傮w框架圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件頂層采用硬件描述語言Verilog HDL設(shè)計，以總線作為分割介質(zhì)來看整個系統(tǒng)，包括一個主設(shè)備和四個從設(shè)備。其中主設(shè)備為處理器OR1200，從設(shè)備為只讀存儲器模塊、內(nèi)存模塊、串行外設(shè)接口模塊和通用異步手法傳輸器模塊。如圖2所示。

2.2 總線仲裁設(shè)計

總線仲裁設(shè)計主要包含兩組仲裁，一組為處理器中的指令總線IBUS，通過高位地址判斷從只讀存儲器ROM取指令還是從內(nèi)存模塊DDR2中取指令；另一組為處理器中的數(shù)據(jù)總線，通過高八位地址判斷訪問哪個外設(shè)，具體訪問哪個寄存器通過低位判斷。其中主設(shè)備采用輪詢的機制搶占總線，核心設(shè)計思想為：統(tǒng)計主設(shè)備的個數(shù)n，然后定義n位的變量token={00_01}，通過一定周期把1向左循環(huán)取到每個主設(shè)備，而實現(xiàn)仲裁的輪循機制。

2.3 flash存儲器程序區(qū)劃分結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，flash存儲器地址從Oxl00000到Oxlc0000是bit文件放置區(qū)1，Oxlc0001到Oxlf0000是程序區(qū)1 2，地址從Oxlf0001到Ox220000是程序區(qū)II3，地址從Ox220001到Ox250000是程序區(qū)111 4，地址從Ox250001到Ox300000是擴展區(qū)5。SoC系統(tǒng)bit文件利用Xilinx ISE中的impact工具燒錄進(jìn)去，其他程序區(qū)的程序通過硬件描述語言中的readmemh命令寫入。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)在上電啟動的時候，程序指針PC指向只讀存儲器ROM中Bootload區(qū)的一段代碼，這段代碼一般完成程序從flash存儲器拷貝到內(nèi)存，再將程序指針跳轉(zhuǎn)去內(nèi)存一條一條執(zhí)行的功能。本文中的軟件設(shè)計在此基礎(chǔ)上增加了改進(jìn)，如圖4所示。首先優(yōu)化串行外設(shè)接口SPI和通用異步收發(fā)傳輸器UART，并實時監(jiān)測終端發(fā)過來的命令：若監(jiān)測到命令，校驗接收到的命令是否為有效命令，若為有效命令則根據(jù)接收到的命令選擇flash存儲器相應(yīng)程序區(qū)的有效地址，否則通過通用異步收發(fā)傳輸器UART和藍(lán)牙模塊向終端發(fā)送“錯誤”提示，繼續(xù)等待命令。得到有效的地址后，初始化串行外設(shè)接口SPI，產(chǎn)生串行外設(shè)接口SPI時序和發(fā)送讀命令，根據(jù)flash程序區(qū)的有效地址拷貝程序到內(nèi)存模塊DDR2中，直到程序大小等于程序大小變量sizeword的值，最后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)命令，將處理器指向內(nèi)存模塊DDR2的起始位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動。程序流程圖如圖4所示。

4 仿真與下板測試

OR1200處理器是OpenRisc家族中的一員，在軟件編譯的時候我們需要安裝OpenRisc交叉編譯工具鏈：采用Xilinx的Virtex-5開發(fā)板，同時需要安裝ISE等EDA工具。

編譯工具鏈把前面設(shè)計的加載啟動代碼（bootloader）從匯編語言編譯成硬件描述語言，并實例化到SoC系統(tǒng)頂層中。然后進(jìn)行flash存儲器的分區(qū)并燒錄程序，本文通過readmemh命令向程序區(qū)1、程序區(qū)11和程序區(qū)III依次燒錄hellowa.c、hellowb.c和hellowc.c。這幾個測試程序會通過串口分別打印出“Hello word A”、 “Hell。word B”和“Hello word C”。這樣我們就可以很直觀地判斷系統(tǒng)在執(zhí)行哪個程序。endprint

將板子上電，并利用Xilinx ISE中的impact工具將編譯好的SoC系統(tǒng)bit文件燒錄至flash存儲器Oxl00000到Oxlc0000區(qū)域，當(dāng)編譯綜合通過，下板成功后，我們就可以抓取波形和串口打印判斷結(jié)果。其波形圖和串口打印如圖5和圖6所示。從波形圖中我們可以看出串口控制器輸出14個字符，正好是“Hell。World A/B/C”，放大波形我們可以看到第一個數(shù)據(jù)為Ox48，正好是字符“H”的ASCLL碼。而從窗口上打印的輸出更為明顯。給串口發(fā)送命令“0”，選擇flash程序區(qū)1hellowa.c，從Oxl00000開始拷貝程序，仿真測試結(jié)果輸出“Hello word A！”。給串口發(fā)送命令“1”，選擇flash程序區(qū)Ⅱhellowb.c，從Ox130001開始拷貝程序，仿真測試結(jié)果輸出“Hell。word B！”。給串口發(fā)送命令“2”，選擇flash程序區(qū)Ⅱhellowc.c，從Ox160001開始拷貝程序，仿真測試結(jié)果輸出“Helloword C！”。

5 結(jié)論

本發(fā)明基于SoC的無線智能程序加載方法中，首先將flash存儲器劃分成若干個程序區(qū)，并通過加載指令把不同的程序分別加載到不同的程序區(qū)，然后運行加載啟動代碼，初始化串行外設(shè)接口并監(jiān)測串口接收到的命令，從flash存儲器中選擇相應(yīng)程序區(qū)，實現(xiàn)程序到內(nèi)存模塊的拷貝，最后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)命令，將處理器指向內(nèi)存模塊的起始位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動：整個加載過程簡單，不需要接線和留出程序加載接口，也不需要相應(yīng)的IDE軟件來加載程序，通過手機或帶有藍(lán)牙模塊的終端就可以加載不同的程序，適用范圍廣。

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