Xilinx FPGA的嵌入式系統開發過程

摘要：圍繞Xilinx公司FPGA中的MicroBlaze軟核微處理器，對其體系結構、設計流程和相關開發工具進行了詳細介紹，并且通過一個實例說明了以MicroBlaze軟核處理器為內核的嵌入式系統的開發過程。
關鍵詞：FPGA；MicroBlaze；嵌入式設計

引言
隨著FPGA技術的迅速發展，可編程片上系統(SOPC)作為一種特殊的嵌入式微處理器系統，融合了SoC和FPGA各自的優點，并具備軟硬件在系統可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術方向。SOPC的核心是在FPGA上實現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軟核結構，對其體系結構、設計流程和相關開發工具一一進行介紹，并在實際的無線電監測系統中采用此方案，構建了一個小型化、智能化、網絡化的軟件無線電處理平臺。

1 MicroBlaze處理器結構
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芯片進行了優化。設計人員可以根據設計定制處理器的可選配置，根據版本的不同，配置不同的選項。該軟核處理器具有以下幾個方面的特征：
◆32個32位通用寄存器；
◆32位3個操作數的指令字，指令字有2種尋址模式；
◆分離的32位地址總線和數據總線；
◆具有高速的指令和數據緩存，3級和5級流水線操作；
◆靈活的總線結構，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存儲管理、FPU浮點單元、高速緩存、異常處理和調試邏輯等可根據性能需求和邏輯區域成本任意裁減的高級特性。
MicroBlaze的這些特性極大地擴展了其應用范圍，MicroBlaze處理器的內核仍在不斷更新之中，目前使用的版本MicroBlaze v7．1，其內部架構如圖1所示。