基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計

設計輸入主要有原理圖輸入和HDL輸入兩種方式，一般開發(fā)商都同時支持兩種輸入方式。有些熟悉硬件設計的工程師開始喜歡利用原理圖進行設計，這種方法非常直觀，但基于可移植性和規(guī)范化方面的考慮，絕大部分深入FPGA設計和ASIC設計的工程師最終都將統(tǒng)一到HDL平臺上來。

設計仿真包含功能仿真和時序仿真兩項主要內(nèi)容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導致的時延等因素，僅僅從邏輯上進行仿真，這對設計思路的驗證是有幫助的，但必須通過時序仿真作進一步驗證，發(fā)現(xiàn)并修正時序問題。

設計綜合將HDL語言生成用于布局布線的網(wǎng)表和相應的約束。綜合效果直接導致設計的性能和邏輯門的利用效率，因此，許多可編程邏輯器件開發(fā)商都支持第三方綜合和仿真工具，著名的有：Synplicity、Synopsys和ModelSim等。

布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表，在FPGA內(nèi)部進行布局布線，并生成可用于配置的比特流文件。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關，一般由可編程邏輯器件開發(fā)商直接提供。

隨著可編程邏輯器件容量的不斷增大和設計性能要求的不斷提高，對傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)工具提出了挑戰(zhàn)。以Xilinx公司為例，應IP Core開發(fā)和集成的需要，開發(fā)了IP Core使用工具Core Generator和IP Core包裝工具IP Capture；提供了模塊化設計工具Modular Design用于超大規(guī)模設計的團隊項目開發(fā)；用片內(nèi)邏輯分析儀ChipScope ILA進行片內(nèi)邏輯調(diào)試；Xpower則用于設計功耗分析并得出相應的解決方案；還有System Generator結合Simulink甚至可以簡單地實現(xiàn)數(shù)字信號處理模型（如FIR濾波器和FFT等）的FPGA硬件實現(xiàn)。此外，一些有爭議的設計工具，如基于C語言的FPGA開發(fā)工具DK1等為超大容量FPGA設計和復雜邏輯設計提供了值得嘗試的途徑。

3.2 處理器IP Core：Micro Blaze與PPC405將處理器IP Core嵌入到可編程邏輯器件是基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計的前提條件，目前，國內(nèi)外許多單位已成功的將51單片機、arm和PPC 等處理器內(nèi)核嵌入各種可編程邏輯器件并進行了應用系統(tǒng)的設計，其中最著名的要數(shù)Xilinx公司的Micro Blaze和Altera公司的Nois了。Xilinx從Pico Blaze到Micro Blaze，再到PPC405，完成了從8位單片機到32位微處理器的逐步完善和性能提升。

Micro Blaze 是一個專門為Xilinx FPGA優(yōu)化的RISC嵌入式軟處理器，符合IBM Core Connect標準，能夠與PPC405系統(tǒng)無縫連接，Micro Blaze軟處理器內(nèi)核的結構如圖2所示，

圖2 Micro Blaze IP Core結構框圖

它具備以下基本特征：32個32bit通用寄存器硬件乘法器（僅限Virtex II系列）

32bit地址總線和32bit數(shù)據(jù)總線三操作數(shù)32bit指令字，兩種尋址模式獨立的片內(nèi)程序32bit總線和數(shù)據(jù)總線片內(nèi)總線遵循OPB（On- chip Peripheral Bus）標準通過LMB（Local Memory Bus）訪問片內(nèi)Block RAM Micro Blaze是一個非常簡化，但有具有較高性能的軟處理器內(nèi)核，他可以在性價比很高的Spartan II（-E）系列FPGA上實現(xiàn)，系統(tǒng)時鐘頻率為75MHZ，僅占用400個Slice資源，相當于10萬門FPGA容量的三分之一，而10萬門的 Spartan II系列FPGA的批量目標市場價格僅為10美元左右，非常適合消費類嵌入式產(chǎn)品應用需求。

在Xilinx最新一代FPGA Virtex II Pro中，嵌入了IBM公司的PPC405 RISC結構硬處理器（如圖3所示），

圖3 PPC405 IP Core結構框圖

該處理器內(nèi)核具備以下基本特征：32位、Harvard結構，300MHZ以上工作頻率支持IBM Core Connect總線標準符合PowerPC UISA標準低功耗：0.9mW/MHZ硬件乘法和除法單元32個32bit通用寄存器16KB雙端口程序緩存16KB雙端口數(shù)據(jù)緩存內(nèi)存管理單元（MMU）支持獨立的調(diào)試和跟蹤接口PPC405硬處理器內(nèi)核性能上與現(xiàn)有的EPPC Core完全一致，含有PPC405 Core 的Virtex II Pro系列FPGA還附加了Gbit收發(fā)器和18×18硬件乘法器以及龐大的可編程邏輯資源，非常適合于通信、圖像信號處理以及復雜應用系統(tǒng)的設計，并提供了更加靈活的設計模式。

3.3 基于Micro Blaze和PPC405 Core的SOPC軟硬件開發(fā)

基于嵌入式處理器內(nèi)核的SOPC系統(tǒng)開發(fā)是一個軟硬件協(xié)同設計的過程，一方面，它極大地提高了系統(tǒng)設計的靈活性和快速的設計迭代周期，使整個開發(fā)過程變得更加可控；另一方面，一些新的調(diào)試和設計問題，如邏輯分析儀和數(shù)字示波器的接入等，對調(diào)試設備和調(diào)試手段提出了更高的要求，為了盡可能避免問題的產(chǎn)生，要求有更好的設計工具和集成開發(fā)環(huán)境，保證IP Core資源的可用性和設計實現(xiàn)的一致性，讓設計工程師從煩瑣的內(nèi)部時序調(diào)試中解放出來。