Xilinx FPGA的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程

摘要：圍繞Xilinx公司FPGA中的MicroBlaze軟核微處理器，對其體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)流程和相關(guān)開發(fā)工具進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且通過一個(gè)實(shí)例說明了以MicroBlaze軟核處理器為內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程。
關(guān)鍵詞：FPGA；MicroBlaze；嵌入式設(shè)計(jì)

引言
隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)(SOPC)作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級的功能，已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)方向。SOPC的核心是在FPGA上實(shí)現(xiàn)的嵌入式微處理器核，目前主要有Xilinx公司集成的32位軟核MicroBlaze，32位PowerPC系列處理器硬核PowerPC405、PowerPCA40，ARM公司的Cortex-A9，以及Altera公司的Nios系列微處理器軟核等。本文主要介紹Xilinx公司的MicroBlaze軟核結(jié)構(gòu)，對其體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)流程和相關(guān)開發(fā)工具一一進(jìn)行介紹，并在實(shí)際的無線電監(jiān)測系統(tǒng)中采用此方案，構(gòu)建了一個(gè)小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的軟件無線電處理平臺。

1 MicroBlaze處理器結(jié)構(gòu)
MicroBlaze軟核處理器是可配置的精簡指令集(RISC)32位CPU，該RISC核針對Xilinx公司的FPGA芯片進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)定制處理器的可選配置，根據(jù)版本的不同，配置不同的選項(xiàng)。該軟核處理器具有以下幾個(gè)方面的特征：
◆32個(gè)32位通用寄存器；
◆32位3個(gè)操作數(shù)的指令字，指令字有2種尋址模式；
◆分離的32位地址總線和數(shù)據(jù)總線；
◆具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存，3級和5級流水線操作；
◆靈活的總線結(jié)構(gòu)，支持LMB、OPB、PLB、XCL、FSL片上總線接口等，新推出的系列還支持AXI總線接口；
◆支持MMU存儲(chǔ)管理、FPU浮點(diǎn)單元、高速緩存、異常處理和調(diào)試邏輯等可根據(jù)性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減的高級特性。
MicroBlaze的這些特性極大地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用范圍，MicroBlaze處理器的內(nèi)核仍在不斷更新之中，目前使用的版本MicroBlaze v7．1，其內(nèi)部架構(gòu)如圖1所示。