基于MicroBlaze軟核的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計

　　Xilinx公司的MicroBlaze 32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。MicroBlaze處理器運(yùn)行在150MHz時鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，非常適合設(shè)計針對網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)市場的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。

　　1 MicroBlaze的體系結(jié)構(gòu)

　　MicroBlaze 是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計。MicroBlaze 處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序，并訪問其的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

　　(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　MicroBlaze內(nèi)部有32個32位通用寄存器和2個32位特殊寄存器—PC指針和MSR狀態(tài)標(biāo)志寄存器。為了提高性能，MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存。所有的指令字長都是32位，有3個操作數(shù)和2種尋址模式。指令按功能劃分有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、分支、存儲器讀/寫和特殊指令等。指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級流水：取指、譯碼和執(zhí)行，如圖2所示。

　　(2)存儲結(jié)構(gòu)

　　MicroBlaze是一種大端存儲系統(tǒng)處理器，使用如圖3所式的格式來訪問存儲器。

　　(3)中斷控制和調(diào)試接口

　　MicroBlaze可以響應(yīng)軟件和硬件中斷，進(jìn)行異常處理，通過外加控制邏輯，可以擴(kuò)展外部中斷。利用微處理器調(diào)試模塊(MDM)IP核，可通過JTAG接口來調(diào)試處理器系統(tǒng)。多個MicroBlaze處理器可以用1個MDM來完成多處理器調(diào)試。

　　(4)快速單一連接路接口

　　MicroBlaze處理器具有8個輸入和8個輸出快速單一鏈路接口(FSL)。FSL通道是專用于單一方向的點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)流傳輸接口。FLS和MicroBlaze的接口寬度是32位。每一個FSL通道都可以發(fā)送和接收控制或數(shù)據(jù)字。

　　2 CoreConnect技術(shù)

　　CoreConnect 是由IBM開發(fā)的片上總線通信鏈，它使多個芯片核相互連接成為一個完事的新芯片成為可能。CoreConnect技術(shù)使整合變得更為容易，而且在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平臺設(shè)計中，處理器、系統(tǒng)以及外圍的核可以重復(fù)使用，以達(dá)到更高的整體系統(tǒng)性能。

　　CoreConnect總線架構(gòu)包括處理器本機(jī)總線(PLB)，片上外圍總線(OPB)，1個總線橋，2個判優(yōu)器，以及1個設(shè)備控制寄存器(DCR)總線，CoreConnect總線架構(gòu)如圖4所示。Xilinx將為所有嵌入式處理器用戶提供IBM CoreConnect許可，因為它是所有Xilinx嵌入式處理器設(shè)計的基礎(chǔ)。MicroBlaze處理器使用了與IBM PowerPC相同的總線，用作外設(shè)。雖然MicroBlaze軟處理器完成獨(dú)立于PowerPC，但它讓設(shè)計者可以選擇芯片上的運(yùn)行方式，包括一個嵌入式PowerPC，并共享它的外設(shè)。