FPGA研發(fā)之道(20)-片上系統(tǒng)

　　從最初的占地170平方的第一代ENIAC計(jì)算機(jī)開(kāi)始，計(jì)算機(jī)開(kāi)始了不斷集成化、小型化的發(fā)展之旅?，F(xiàn)今在單一芯片內(nèi)部已經(jīng)能夠集處理器，存儲(chǔ)，各型協(xié)處理器等，從而形成的強(qiáng)大的單芯片的片上系統(tǒng)(SOC)，而這些片上系統(tǒng)已存在于生活的方方面面。因此FPGA內(nèi)部支持片上系統(tǒng)，也算不上是新奇的事情了。ALTERA和XILINX已各自推出了各自應(yīng)用片上系統(tǒng)(FPGA領(lǐng)域稱之為SOPC，因此其片上系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求來(lái)定義)。

　　只需幾K的資源，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)SOC的最小系統(tǒng)，對(duì)于FPGA工程師來(lái)說(shuō)，沒(méi)什么比這個(gè)更有吸引力了。那么，作為一個(gè)片上系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其最小系統(tǒng)應(yīng)該包含哪些：其至少需要三個(gè)部件，執(zhí)行部件(處理器)，程序執(zhí)行部件(內(nèi)部存儲(chǔ)器)，輸出部件(輸入輸出單元)。(其分別相當(dāng)于PC上的CPU、內(nèi)存條，鍵盤(pán)鼠標(biāo)顯示器)。下圖所示在ALTERA的QSYS上實(shí)現(xiàn)NIOS的最小系統(tǒng)所需部件。

　　(1) 處理部件：NIOSII為ALTERA器件中所專有的軟核處理器，而xilinx所對(duì)應(yīng)的為microblaze的軟核。通過(guò)在Qsys的界面工具中提供許多IP，而NIOSII也提供三個(gè)版本提供使用，分別是高速型，標(biāo)準(zhǔn)型，以及經(jīng)濟(jì)型。如果FPGA內(nèi)部邏輯有限，可選擇的經(jīng)濟(jì)型，其占用資源較少。如果需要內(nèi)部資源豐富又需要運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)uclinux等復(fù)雜軟件。則建議選擇高速型，而要運(yùn)行l(wèi)inux等操作系統(tǒng)，則在NIOSII高速型中配置MMU則是必須的。如無(wú)具體需求，則使用標(biāo)準(zhǔn)型即可。值得一提的是，NIOSII為哈佛型體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)和指令分開(kāi)，從Qsys可以看出，其接口分為指令接口和數(shù)據(jù)接口。

　　(2) 存儲(chǔ)部件:對(duì)于在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)SOC來(lái)說(shuō)，片內(nèi)的塊RAM就是實(shí)現(xiàn)SOC內(nèi)部程序與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。也可以使用片外的存儲(chǔ)區(qū)，如片外SRAM或者DDR等。也可以作為程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。對(duì)于NIOSII處理器來(lái)說(shuō)，只有選取了片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)或者片外存儲(chǔ)區(qū)，才能設(shè)定程序中斷向量和復(fù)位起始位置的存儲(chǔ)區(qū)。另外，雖然AVALON總線支持?jǐn)?shù)據(jù)總線和地址總線通過(guò)片上互聯(lián)同一接口訪問(wèn)單端口RAM。但建議使用時(shí)，例化為雙AVALON接口的雙端口RAM，一則是因?yàn)橐话愦鎯?chǔ)區(qū)所需RAM深度夠大，一般支持真雙端口RAM，另一方面，數(shù)據(jù)和指令分開(kāi)，能夠提升系統(tǒng)的性能。

　　(3) 輸入輸出部件：通常在嵌入式SOC系統(tǒng)中，最常用的輸入輸出部件就是串口(UART)。常常被應(yīng)用于(打印printf()，scanf())函數(shù)的輸入輸出。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)了串口(一般為SOC系統(tǒng)中所必須的)，則例化系統(tǒng)中的支持avalon接口的串口即可，如果系統(tǒng)中不幸沒(méi)有，那么ALTERA公司提供了JTAG-UART接口提供給用戶輸入輸出交互接口。即通過(guò)復(fù)用JTAG下載線來(lái)模擬串口的操作。如果系統(tǒng)中有多個(gè)輸出輸出設(shè)備，如有多個(gè)UART，則在編程時(shí)，需在BSP的環(huán)境中設(shè)定，選擇使用哪個(gè)UART作為系統(tǒng)的輸出。

　　使用ALTERA的Qsys工具可以方便的在FPGA上構(gòu)建SOC系統(tǒng)。只需選擇相應(yīng)的IP(可以是系統(tǒng)自帶，也可以使用自己構(gòu)建支持avalon-mm接口的IP)。通過(guò)系統(tǒng)的互聯(lián)從而構(gòu)成一個(gè)片上系統(tǒng)。圖形化的界面只需通過(guò)avalon總線連接信號(hào)將NIOSII和外設(shè)連接在一起即可。連接完畢后，還需要下面操作：

　　(1) 為每個(gè)外設(shè)設(shè)定地址，例如上圖中RAM和JTAG-UART，每個(gè)外設(shè)都需要一個(gè)地址范圍，可以點(diǎn)擊系統(tǒng)中自動(dòng)地址分配，也可以手動(dòng)分配一個(gè)區(qū)間。只有為每個(gè)外設(shè)分配地址后(相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的門(mén)牌號(hào))，處理器才能根據(jù)地址來(lái)訪問(wèn)各個(gè)外設(shè)。

　　(2) 如外設(shè)有中斷，則為外設(shè)分配中斷號(hào)，也可自動(dòng)或者手動(dòng)完成。如不分配中斷的話，那么處理器訪問(wèn)外設(shè)，只有查詢一種交互方式了。中斷方式使用可以減少處理器的負(fù)載。

　　在ALTERA的QSYS工具中，硬件信息全部存儲(chǔ)在sopcinfo。主要是包括各個(gè)外設(shè)的地址信息等，用于產(chǎn)生system.h。也就是說(shuō)，作為軟件和硬件的交互的渠道是每個(gè)外設(shè)的基地址，中斷，和內(nèi)部寄存器等信息。系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)束后，剩下的就可以軟件編程了，運(yùn)行在搭建的SOC系統(tǒng)上的第一個(gè)“hello world”的程序。

　　對(duì)于現(xiàn)在FPGA上的SOC設(shè)計(jì)，廠商為了其方便易用，做了大量的工作，只需按照其指南一步步，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)，但同時(shí)，也限制了對(duì)其基本原理的深入的理解。什么事情都有其兩面性，作為FPGA工程師，SOC的原理則應(yīng)該能夠重點(diǎn)關(guān)注，這樣不論是ALTERA還是XILINX其基本原理也是一致的。如不使用廠家的處理器核(NIOSII、microblaze)，也可以使用其他的軟核(如51等，ARM)在FPGA上實(shí)現(xiàn)SOC系統(tǒng)。只不過(guò)原來(lái)工具做的工作，就需要手動(dòng)來(lái)完成了。

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