基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Xilinx提供了針對(duì)Micro Blaze Core應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MDK，該開(kāi)發(fā)環(huán)境包含了用于硬件描述和系統(tǒng)生成的Platform Generator、用于軟件設(shè)計(jì)和編譯的Micro Blaze IDE，GDB調(diào)試可通過(guò)FPGA配置JTAG接口進(jìn)行，無(wú)需任何附加的調(diào)試硬件，配合Foundation ISE4.2和FPGA目標(biāo)板即可進(jìn)行全功能開(kāi)發(fā)，MDK還包含了UART、GPIO、Watchdog、Timer/Counter、EMC和中斷控制等基本處理器外設(shè)庫(kù)，用戶可以添加兼容OPB總線標(biāo)準(zhǔn)的任意IP Core.Insight和依元素科技均提供了功能全面的Micro Blaze Core評(píng)估工具。

PPC405 Core是一個(gè)高性能的處理器內(nèi)核，它具有獨(dú)立于FPGA JTAG的調(diào)試端口和更加復(fù)雜的調(diào)試功能，我們甚至可以將基于PPC405 Core的SOPC調(diào)試直觀地理解為基于IBM PPC405處理器和大容量FPGA的單板機(jī)調(diào)試，只不過(guò)這個(gè)單板機(jī)無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試，設(shè)計(jì)迭代過(guò)程全部在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。PPC405 Core的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持傳統(tǒng)的IBM PPC405開(kāi)發(fā)環(huán)境，Xilinx提供了相應(yīng)的系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和GNU軟件開(kāi)發(fā)工具包支持。第三方軟件開(kāi)發(fā)商Wind River和Montvisa已分別宣布其VxWorks和HardHat Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持Virtex II Pro 系列FPGA，Insight和Avnet已開(kāi)始銷(xiāo)售含有Virtex II Pro FPGA的高端評(píng)估板。依元素科技也推出了用于開(kāi)發(fā)PowerPC系列處理器的GNU集成開(kāi)發(fā)工具和利刃？系列調(diào)試工具，以及含有PowerPC處理器的原型評(píng)估板。

4 基于Internet可重配置邏輯（IRL）

4.1 IRL技術(shù)的基本特征與應(yīng)用

Internet Reconfigurable Logic （IRL）是Xilinx倡導(dǎo)的一種新的FPGA設(shè)計(jì)理念，其核心是通過(guò)Internet對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)和軟件程序進(jìn)行升級(jí)、重構(gòu)、調(diào)試和監(jiān)控，這種設(shè)計(jì)理念伴隨著嵌入式Internet技術(shù)的蓬勃發(fā)展必將對(duì)嵌入式設(shè)備的設(shè)計(jì)模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

IRL包括三個(gè)方面的基本要素：含有配置bit流或應(yīng)用程序的主機(jī)含有配置功能的目標(biāo)系統(tǒng)Internet或遠(yuǎn)程訪問(wèn)介質(zhì)在Internet環(huán)境下，可通過(guò)Web Browser訪問(wèn)遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)，通過(guò)HTTP、FTP協(xié)議、Java Applet和CGI等功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文件傳輸和交互控制功能。在某些特殊環(huán)境下，遠(yuǎn)程訪問(wèn)介質(zhì)可以是PSTN、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或其它特殊媒介，這在某些工業(yè)控制場(chǎng)合以及軍事應(yīng)用中是常見(jiàn)的。

IRL技術(shù)可以應(yīng)用于許多場(chǎng)合，諸如：在部分功能沒(méi)有完成全面測(cè)試之前就可以先將產(chǎn)品投放市場(chǎng)；故障設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)；遠(yuǎn)程修復(fù)產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的Bug；對(duì)已售出的產(chǎn)品升級(jí)新的功能；對(duì)新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議予以支持等等。總而言之，采用IRL技術(shù)將帶給我們的產(chǎn)品三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：縮短產(chǎn)品上市時(shí)間；減少產(chǎn)品維護(hù)費(fèi)用；延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。

4.2 IRL技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在基于Web Browser的條件下，主機(jī)端的應(yīng)用程序?qū)⑦_(dá)到最簡(jiǎn)化，主機(jī)端無(wú)需安裝任何特殊應(yīng)用程序就可完成對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的操作，這種簡(jiǎn)化對(duì)用戶而言是必要的。這樣，目標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)就是IRL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全部?jī)?nèi)容。

一般而言，目標(biāo)機(jī)端IRL模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：以太網(wǎng)或Modem接入TCP/IP或TCP/IP+PPP協(xié)議棧Http Web Server支持CGI、ASP或Java Script FPGA配置時(shí)序，至少支持JTAG配置模式足夠的存儲(chǔ)空間和配置故障恢復(fù)功能在嵌入式Internet技術(shù)和處理器的支持下，這些功能的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不是技術(shù)上的瓶頸了，圖4給出了依元素科技也開(kāi)發(fā)的IRL評(píng)估模塊原理框圖，

圖4 基于Rabbit2000的IRL模塊原理框圖

該這種實(shí)現(xiàn)方式是一種基于單片機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥鞯腎RL實(shí)現(xiàn)方式。Avnet推出了基于PowerPC和PMC總線的高端IRL技術(shù)評(píng)估板。

在本文研究的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA甚至能夠通過(guò)內(nèi)部嵌入式處理器內(nèi)核（如Micro Blaze和PPC405）及其軟件支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的重構(gòu)和升級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著可編程邏輯器件工藝的不斷進(jìn)步和開(kāi)發(fā)工具的不斷增強(qiáng)，F(xiàn)PAG將更加廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA的將在更廣泛的范圍普及，成本和價(jià)格將不再成為我們拒絕在設(shè)計(jì)中采用FPGA的理由。我們有理由相信，SOPC、IRL等設(shè)計(jì)理念將會(huì)對(duì)我們的設(shè)計(jì)方式產(chǎn)生新的變革，也必將給每一位嵌入式工程師帶來(lái)有益的思路和更加寬廣的創(chuàng)意空間。