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1、基于MicroBlaze的嵌入式系统设计由 技术编辑 于星期二,03/26/2013-23:06发表摘 要：当今时代,嵌入式系统已经无所不在,与人们的日常生活息息相关。嵌入式系统以微处理器为核心,以计算机技术为基础,其主要特征是实时性强。据统计,目前世界上微处理器每年生产总量的95%以上都是面向嵌入式系统应用,围绕Xilinx公司的MicroBlaze微处理器,对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一做出介绍,并且通过一个简单的实例来说明以MicroBlaze处理器为内核的嵌入式系统的开发过程。1 MicroBlaze处理器结构Mic
2、roBlaze处理器是Xilinx公司针对嵌入式处理器开发应用推出的一种32位嵌入式处理器内核,他是一种软核结构,简单但灵活性强,在目标器件中可以进行任意配置。他采用RISC指令集、Harvard体系结构,该处理器有以下一些特征：(1)32个32位通用寄存器和2个专用寄存器。(2)32位指令系统,支持3个操作数和2种寻址方式。(3)分离的32位指令和数据总线,符合IBM的OPB总线规范。(4)通过本地存储器总线(LMB)直接访问片内块存储器(BRAM)。(5)具有高速的指令和数据缓存(cache),三级流水线结构。(6)具有硬件调试模
3、块(MDM)。(7)带8个输入/输出快速链路接口(FSL)。说明：DOPB器件内部的外围设备数据接口总线,用于处理器与片内的设备进行数据交换。DLMB实现数据交换的本地块存储器总线,该总线为处理器内核与块存储器(BRAM)之间提供专用的高速数据交换通道。IOPB用于实现外部程序存储器的总线接口。当程序较大时,需要外接大容量的存储器,该总线提供读取指令的通道。ILMB用于取指令的本地存储器总线,该总线与器件内部的块存储器(BRAM)相连,实现高速的指令读取。MFSL0..7 主设备数据接口,提供点对点的通信通道。SFSL0..7 从设备
4、数据接口,提供点对点的通信通道。2 EDK开发流程EDK(EmbeddedDevelopmentKit)是Xilinx公司针对FPGA内部32位嵌入式处理器开发而推出的开发套件。EDK的工具包中集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试等工具,利用其集成开发环境XPS(XilinxPlatformStudio)可以方便、快速地完成嵌入式系统开发的整个流程。EDK以IPcore的形式,提供诸如LMB,OPB总线接口、外部存储控制器、SDRAM控制器、UART中断控制器、定时器及其他一些外围设备接口等资源,
5、利用这些资源,设计者能够轻松构建一个完善的嵌入式处理器系统,其完整的设计框图如图2所示。一个完整的嵌入式处理器系统设计通常包括3个部分:硬件系统的构建;存储器映射及软件的开发;应用程序开发。在XPS集成开发环境下,嵌入式处理器硬件系统的构建由微处理器硬件规范(MHS)文件和微处理器外围设备描述(MPD)文件定义;软件系统结构由微处理器软件规范(MSS)文件定义,其开发流程如图3所示。MHS文件用于描述硬件系统结构,定义处理器类型、总线接口、外设接口、中断处理和地址空间。该文件可用任意文本编辑器创建,是文本化的原理图输入。MPD文件包含
6、外围设备的所有有效输入/输出接口和硬件参数。MSS文件主要用来定义软件库、驱动程序和文件系统。说明:Data2BRAM的作用是把软件代码文件(3.elf)、FPGA位流文件(3.bit)和块存储器(BRAM)初始化数据文件(3.bmm)转换成新的FPGA位流文件(3.bit)和存储器数据文件(3.mem)。关于应用程序的编写将在下面的实例中详细介绍。3 一个简单的实例本实例基于e元素科技的数字刀剑系列之火龙刀3评估板,简要叙述一个嵌入式处理器系统的开发流程,着重讲述应用程序的编写。对于其他评估板,只需对用户约束文件(3.ucf)稍做修
7、改即可。为简单起见,与图2所示一个完整的系统相比,本例所述系统只在OPB总线上挂MDM(硬件调试模块)和GPIO(通用输入/输出设备)2个外围设备,GPIO对应评估板上8个LED输出,当完成下载到FPGA后,8个LED将不停地闪烁。具体描述如下：第一步,硬件系统构建,在XPS集成开发环境下,利用BSP(BaseSystemBuilder)向导自动创建一个以Mi-croBlaze处理器为核心的简单硬件系统,设置处理器时钟频率为50MHz,总线时钟频率为50MHz,设置片上读/写调试模块为调试接口,在处理器IP中,只加入MDM和GPIO。
8、根据向导逐步操作,即可完成硬件系统的构建。第二步,在硬件系统建立后,利用XPS的集成工具,完成网表的生成和软件的配置,存储器地址映射(默认由系统自动生成,分配的地址随系统而异)如表1所示。驱动配置和存储器映射的标识符及地
