基于OR1200的嵌入式SoC設計

RISC是一種執行較少類型計算機指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(即RISC 機)，RISC機中采用的微處理器統稱RISC處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執行操作(每秒執行更多百萬條指令，即MIPS)。因為計算機執行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計算機指令集越大就會使微處理器更復雜，執行操作也會更慢。RISC微處理器不僅精簡了指令系統，采用超標量和超流水線結構;它們的指令數目只有幾十條，卻大大增強了并行處理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標量結構的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則采用超流水線結構，這些RISC處理器在構建并行精簡指令系統多處理機中起著核心的作用。

近年來開放源代碼運動迅速發展，開放性源碼的概念已經從軟件領域(如Linux,GCC等)擴展到了硬件領域，出現了專門發布免費的IP核源代碼的組織--OpenCores.OR1200以其完全開放的源代碼和編譯器吸引了設計者。其結構簡單、通用性和可移植性強，具備完整的開發平臺，非常適合嵌入式SoC設計[1].關于OR1200的研究也受到學術界和工業界越來越多的關注。

1 32位開放源代碼處理器核OpenRISC1200

OpenRISC1000系列處理器是開放IP核源代碼組織OpenCores公布的32/64位處理器軟核。OpenRISC1200采用了自主設計的OpenRISC1000體系結構和自定義的ORBIS32 指令集。它是一種32位、標量、哈佛結構、5 級整數流水線的RISC,支持Cache、MMU和基本的DSP 功能。OR1200具有較好的可配置性， 使用者可以根據自己的需要定制自定義的指令，確定是否使用MMU,配置Cache 的大小(1 KB~64 KB之間)。OR1200同時還提供了1個用于降低功耗的電源管理單元和1個支持片內調試的調試單元[2].

OR1200有完善的軟件開發環境和操作系統的支持。使用者可以通過包括GCC、Binutils和GDB等在內的GNU tool chains進行基于OR1200內核的編譯和調試。同時，OR1200擁有專門的仿真器Or1ksim,可以進行指令集一級的仿真，并支持Linux,μClinux,μC/OS-Ⅱ等任何一種現代操作系統。

OR1200典型應用情況[3]:使用0.18 ?滋m和6層金屬工藝時，主頻運行達到300 MHz,可以提供300Dhrystone、2.1MIPS和300 Hz的32 bit×32 bit的DSP乘加操作的能力。OR1200默認配置有100萬個晶體管。

2 系統的總體方案

本文構建以OR1200微處理器為核心，包含軟硬件平臺的嵌入式SoC系統。硬件系統以開源32位RISC核+Wishbone總線為主干，進行增量迭代開發，將仿真驗證過的模塊逐個加入到OR1200嵌入式系統中，然后在FPGA上進行驗證。軟件部分進行交叉編譯環境的建立、操作系統的移植、應用程序開發并利用驅動程序、函數庫，經交叉編譯工具最后生成可執行程序下載到內存中。最后在Altera的DE2-70開發板上驗證系統能否穩定運行。系統開發流程如圖1所示：

主函數中3個任務函數非常簡單，優先級從高到底分別為1、2、3,系統提供的函數OSTimeDly()分別為10、20、30,OsTimeDly()是將1個任務掛起，延時若干個時鐘節拍，CPU可以去執行其它任務。

圖4給出的是通過串口工具輸出μC/OS-II多任務調度的信息，3個任務根據優先級和延遲時間正確執行并打印出執行信息，測試證明OR1200嵌入式SoC系統能夠穩定的運行μC/OS-II.

3 硬件平臺的構建

OR1200Q嵌入式SoC系統組件包括：OR1200、Wishbone互聯模塊、Memory Controller、Flash、SDRAM、UART、GPIO、DM9000A接口模塊以及DM9000A控制器。圖2所示系統的硬件架構。

系統外接50 MHz的時鐘，經過PLL分頻，系統工作在25 MHz頻率。由于OR1200的可配置性，配置了硬件乘法功能，選擇8 KB的IC(指令緩存)、8 KB的DC(數據緩存)，選擇NO_DMMU,NO_IMMU,即未加內存管理單元。起始地址設為0x100,對系統做了硬件映射，復位時，0x04000000地址映射到0x0地址，所以系統可以從Flash啟動。Memory Control為統一的存儲控制器模塊，控制著SDRAM和Flash 2種存儲器。本系統針對AlteraDE2-70開發板硬件配置選擇64 MB的SDRAM和8 MB的Flash.Flash用于存儲壓縮的內存映像文件及啟動程序Bootloder.Bootloder把壓縮的內存映像文件從Flash復制到SDRAM中，并跳到起始位置解壓執行可執行文件、啟動操作系統。UART是嵌入式中重要的I/O設備，本系統選擇由OpenCores組織維護的UART16550 IP核，它與國家工業標準兼容并且可配置。UART通信協議的要求是：波特率9600 b/s、8個數據位、1個停止位、無奇偶校驗位。GPIO在系統中主要用于控制LED顯示狀態。DM9000A支持8 bit和16 bit數據接口以適用于不同的微處理器，但是沒有合適的開源IP模塊來連接DM9000A和Wishbone.因此需要開發1個IP接口模塊能將Wishbone從設備信號轉換為DM9000A控制信號。這個接口模塊有2個接口：1個連接在Wishbone從設備上;1個連接DM9000A控制器。DM9000A本身是little-endian,OR1200是big-endian,所以數據線接法應該做交叉接法。

Wishbone互聯模塊有很多種，比如Wishbone Conbuse、Wishbone Traffic Cop、Wishbone Interconnect Matrix.鑒于本系統外設不多，選擇Wishbone Traffic Cop,它有8個主設備、9個從設備。系統2個主設備即指令總線主設備、數據總線主設備，主設備通過Wishbone 的總線譯碼器和仲裁器與從設備進行數據通信，總線仲裁器選擇控制總線的主設備，保證每個周期最多只有1個主設備獲得總線控制權。系統有4個從設備，分別是UART、Flash、SDRAM和DM9000A.每個從設備都由32 bit地址線的最高8 bit來編址，總線譯碼器對主設備發出的地址的最高3 bit進行譯碼來決定訪問哪個從設備。

4 系統的軟件開發

軟件開發過程包括交叉編譯環境的搭建，Bootloader的設計、μC/OS-II的移植和應用程序開發等。

4.1 GNU交叉編譯環境的構建

OR1200系統使用的是OR32工具鏈，它由GCC, GNU Binutils和GDB組成，另外還提供了OR32模擬仿真工具。gcc-3.4.4用于程序的編譯;Binutils-2.16.1提供了鏈接等各種工具;gdb-5.3用于程序的調試。OR32模擬仿真工具or1ksim工具可以模擬OR1200處理器的行為，讓程序脫離處理器在模擬工具上運行，從而實現OR1200與程序并行開發。OR32可從opencores網站上下載。

4.2 啟動代碼Bootloder的設計

Boot Loader 是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。通常，Boot Loader 是嚴重地依賴于硬件而實現的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們仍然可以對 Boot Loader 歸納出一些通用的概念來，以指導用戶特定的 Boot Loader 設計與實現。

4.2.1 移植分析

對于計算機系統來說，從開機到操作系統啟動需要一個引導過程，嵌入式系統同樣離不開引導程序，這個引導程序就是Bootloader.通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，從而建立適當的系統軟硬件環境，為最終調用操作系統內核做好準備。

結合前面構建的OR1200嵌入式SoC系統，具體的移植過程中需要修改或編寫以下代碼：

spr_defs.h OR1200相關寄存器的設置;

board.h系統驗證所用的DE2-70開發板的定義，啟動參數等;

flash_boot.S,修改初始化代碼和入口;

flash.ld,代碼在flash中的地址空間安排;

mc.h存儲控制器的初始化;

uart.h UART的初始化;

copier.c下載的程序從Flash拷貝到SDRAM執行的拷貝代碼;

在Makefile中添加Bootloder的編譯支持。

4.2.2 啟動分析

0x100處是復位入口地址，但是Flash的初始地址為0x04000000,通過設置寄存器對系統做了硬件映射。復位時，0x04000000地址映射到0x0地址，所以可從Flash啟動。系統加電后，CPU從該地址開始執行。該地址也就是系統異常處理向量表第1項(復位)。跳到了init_mc 中，此時完成了系統的大部分初始化，例如設置寄存器、CPU、SDRAM、Flash.然后把Flash中的拷貝代碼(copier)拷貝到SDRAM,跳到SDRAM中的Copier處，copier負責把Flash中的用戶程序(userprog.bin)拷貝到SDRAM中去，并跳到0x100處，解壓執行用戶程序，啟動操作系統。此時的內存映射為：SDRAM為0x00000000~0x04000000, Flash還是0x04000000~0x08000000.Bootloader的啟動如圖3所示。

4.3 實時操作系統μC/OS-II的移植

μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步(信號量，郵箱，消息 隊列)和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。

μC/OS-II是一個代碼公開、內核精簡、實時性強、支持多任務的操作系統，非常適合嵌入式系統開發。μC/OS-II 是由與處理器相關的代碼，與處理器無關的代碼及與應用程序相關的代碼組成。它在設計之初就已經充分考慮了可移植性，所以μC/OS-II在不同處理器上的移植是比較容易的，主要是編寫與處理器相關的代碼，即OS_CPU_A_ASM、OS_CPU.H、OS_CPU_C.C.因此對于μC/OS-II的移植可以參考文獻[4]中第13章，明確OR1200微處理器的數據聲明類型、OR1200微處理器支持的堆棧增長方向、臨界區處理方式。

5 系統運行測試

系統通過驗證操作系統移植的正確性來測試所構建的OR1200嵌入式SoC系統能否正常運行，編寫main.c實現3個任務以及任務切換。函數的主要功能包括完成μC/OS-II操作系統的初始化、硬件資源的初始化、創建相關任務和啟動μC/OS-II操作系統這幾部分。main.c的主函數部分如下：

本文介紹了一種基于OR1200微處理器的嵌入式SoC系統的軟硬件設計。系統經測試運行穩定。系統的硬件核心選用了開源的32位微處理器核OR1200,并定位于嵌入式系統，性能良好，也可適應其他的開放源碼IP,對于掌握具有自主知識產權和自主創新的處理器具有重大的意義，本系統已應用于青島市重大科技攻關項目"基于OR1200嵌入式SoC網關集成電路的設計及AVS實現".