基于OpenBus系統的FPGA嵌入式設計與實現

摘要：隨著FPGA技術的發展，FPGA設計已不再只是硬件電路的設計，而是包含處理器、外國組件和接口邏輯在內的完整數字系統，同時在處理器中編程完成嵌入式代碼的FPGA“軟”設計。與傳統的主要基于硬件描述語言進行FPGA設計井發不同，本文在電路設計軟件Altium Desi gner開發環境下，結合Xilinx公司的ISE設計軟件，在Altium Designer的創新電子設計平臺NanoBoard 3000上，設計實現了基于Altium Designer特有的系統級設計方法OpenBus系統的32位處理器控制LED的FPGA嵌入式設計。
關鍵詞：FPGA嵌入式設計；Altium Designer軟件；OpenBus系統；NanoBoard 3000

現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)是美國Xilinx公司于1984年首先開發的一種通用型用戶可編程器件。FPGA內部由可綰程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構成，包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。目前，面向大規?？删幊唐骷降膹V泛應用，正在不斷地加速電子設計技術從硬件電路設計向“軟”設計的過渡。Altium Designer是傳統電路設計軟件Protel的高端設計版本，除了具備基本的電路原理圖設計和PCB設計功能外，它的特色主要在于增強了FPGA開發功能，將電子產品的板級設計、可縮程邏輯設計和嵌入式設計開發融合在一起。
傳統的FPGA系統設計多是基于硬件描述語言VHDL或者Verilog來完成的，需要開發者具備一定的硬件描述語言知識，而且這種方式的設計就可讀性而言具有一定的復雜度。Altium Designer提出了一種系統級的設計概念——OpenBus系統，這是一種全新的系統級的FPGA設計方法。這種設計方法避開了傳統的FPGA設計中用硬件描述語言來編程、仿真和驗證等步驟，以更加抽象的方式表示了處理器與外圍設備間的互聯，降低了FPGA設計的復雜度，簡化了FPGA設計。
Altium Designer的創新電子設計平臺NanoBoard 3000提供了將嵌入式智能作為設計核心的設計環境，在這個平臺上可以調試、下載FPGA嵌入式設計，實現電路硬件設計和基于“軟核”處理器的嵌入式軟件設計。

1 基于OpenBus系統的設計要素
1．1 OpenBus瞄系統
“OpenBus系統”是一個描述一種使用普通總線實現整個系統內邏輯功能性“模塊”連接的術語。通過這種方法，用戶能夠很快地裝配一個包含滿足應用需求的各種功能在內的系統。具體來說，OpenBus系統是Altium Designer軟件自帶的高端IP模塊，包含Connectors(連接器)、Processors(處理器)、Memories(存儲器)、Peripherals(外圍設備)等，如圖1的OpenBus Palette面板所示。設計時可以根據設計需求，直接在OpenBus Palette面板調用相關的IP模塊，即OpenBus器件，連接構成設計系統。但要注意的是，這些IP模塊在調用后，還需要進行相應的參數配置才能使用。這種OpenBus系統的設計方法與傳統的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同，它移除了所有低級別的走線和互連細節，能夠快速地構建系統。

1．2 FPGA設計元件庫與軟件平臺搭建器
除了OpenBus Palette面板中的OpenBus器件，要完成FPGA嵌入式設計，還需要使用Altium Designer軟件中的FPGA設計元件庫。這些元件庫提供了FPGA設計中所需的外圍器件。Altium Designer軟件提供的常用的FPGA設計元件庫有：FPGA NB3000 Port-Plugin．IntLib、FPGA Peripherial．IntLib、FPGA Generic．IntLib、FPGA Configumble Generic．IntLib、FPGA Instruments．IntLib等。
與OpenBus系統配合進行FPGA嵌入式設計的，還有軟件平臺搭建器SwPlatform。因為進行FPGA嵌入式設計時，FPGA器件的外圍引腳常需要驅動如LED、觸摸屏、揚聲器等硬件設備。而要使這些硬件設備能正常工作，就要在設計中包含相應的驅動代碼。這些硬件的驅動代碼無需自行編寫，Altium Designer的軟件平臺搭建器SwPlatform可以把所有連接外設所需的低階驅動代碼整合一起。軟件平臺搭建器SwPlatform采用圖形化方式連接用戶的應用程序與底層硬件。在進行FPGA設計時，軟件平臺搭建器SwPlatform可以自動地由FPGA設計的硬件部分獲取底層硬件的信息。如圖2所示，軟件平臺搭建器SwPlatform自動根據底層信息(Wrapper，棧層中的HARDWARE部分)提供對于硬件的驅動(Driver，棧層中的SOFTWARE PLATFORM部分)以及服務程序(Context，棧層中的APPLICATION CODE部分)。設計時只需關注構建設計本身的應用程序代碼，不需要考慮過多的底層驅動代碼。