基于LEON微處理器的SOC原型平臺設計

高 鵬

上海同濟大學電子信息學院   200092

摘　要：本文首先簡要介紹了LEON2微處理器，然后論述在Altera的FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2的SOC原型平臺，從硬件設計和軟件結構兩個方面詳細介紹了設計思路。

關鍵字：LEON2 現(xiàn)場邏輯門陣列 片上系統(tǒng) 原型平臺

Design a SOC prototype platform based on LEON2
Gao peng
E-mail: gaopeng828@hotmail.com

Abstract: This paper first introduce LEON2 micro-processor, then tell how to design prototype platform based on LEON2 in Altera’s FPGA development board. It specify our think of hardware design and software architecture.

Keywords: LEON2   FPGA   SOC   Prototype-platform

　　隨著IC制造工藝水平的快速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）在ASIC設計中得到廣泛應用。微處理器IP核是SOC片上系統(tǒng)的核心部分。但是大多數(shù)公司和研究機構沒有足夠的財力與人力開發(fā)自己的處理器，所以業(yè)界比較流行的做法就是購買微處理器的IP核，例如ARM核或MIPS核,但需要數(shù)十萬美金的許可證費用的投入。

　　除了昂貴的ARM核與MIPS核以外，我們還有另外一種選擇，就是選擇開放源代碼的微處理器的IP核。目前可以實際使用的開放源代碼處理器有LEON系列與OPENRISC系列兩種。本文就介紹了LEON2微處理器核，快速的建立起一個SOC的平臺的原型對于驗證系統(tǒng)性能與加快軟件開發(fā)都是相當重要的。本文還詳細闡述了如何在Altera的FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2微處理器的SOC原型平臺。

1 LEON2微處理器

　　LEON處理器系列是歐洲航天局的下屬的研究所開發(fā)的32位微處理器，應用在航天局的各種ASIC芯片內。目前有LEON2，LEON3系列。LEON系列處理器是一個可配置，可綜合適于在SOC設計中應用的微處理器核。LEON2處理器是一個使用SPARC V8指令集的32位的RISC處理器，它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構成。同時LEON2的性能也很不錯，使用Dhrystone2.1的測試平臺，LEON可以達到大約0.85MIPS/MHz。更大的好處是LEON處理器是一個公開源代碼，遵循GNU LGPL協(xié)議。任何人都可以其網站上免費下載其硬件代碼和各種開發(fā)軟件工具與相關文檔。并且在自己ASIC項目中使用。

　　LENO2的處理器具有以下的特點:

　　內部使用了5級流水線，兼容SPARC V8指令集。

　　具有硬件乘法，除法和MAC的功能。

　　具有分開的指令和數(shù)據cache結構（哈佛結構），可以根據需求靈活的配置cache的容量，大小范圍是1－64kbyte。

　　片上總線規(guī)范使用了AMBA2.0規(guī)范，支持APB,和AHB標準。

　　具備一些片上常用外設，包括UART，中斷控制，I/O端口，實時時鐘,看門狗等。

　　支持硬件調試功能。

　　從上面的介紹可以看出，LEON2的性能相當不錯，但是作為一個處理器，除了本身的性能以外，同時還必須要有高效的編譯器軟件開發(fā)環(huán)境，各種應用軟件和操作系統(tǒng)的支持。ARM和MIPS在嵌入式的廣泛應用，與其背后的高效的軟件編譯開發(fā)工具，以及眾多支持ARM和MIPS的實時操作系統(tǒng)軟件有很大關系。很多公司選擇ARM或MIPS，不僅看重微處理器的性能，更大的方面是看重其背后的軟件支持環(huán)境。雖然LEON系列在這一點上不如商用微處理器，但是也是相當不錯了。和硬件代碼一起，可以下載LECCS，一個基于GCC的免費的C/C++的交叉編譯系統(tǒng)，同時也可以使用GDB調試工具做源代碼級別的調試。開源社區(qū)還提供免費的實時系統(tǒng)RTEMS,UClinux,eCos等免費實時操作系統(tǒng)。上述實時操作系統(tǒng)都已在LEON2處理器上移植成功了。

　　由于LEON2處理器的源代碼是公開的，任何人都可以免費得到和使用。很多研究機構和公司沒有自己的處理器的核，如果去開發(fā)，需要大量的人力物力支持，而且附帶的各種軟件編譯器的開發(fā)也需要大量的工作，對于中小型的公司或研究院很難做到。如果通過購買ARM或者MIPS的核，通常都需要幾十萬美金的許可證的費用，同時以后的產品也必須要付一定的費用。而LEON系列處理器就給了這些公司和研究機構另外的一種選擇。雖然在功耗和性能上同常用的ARM,MIPS等處理器還有些不足，但是完全可以使用。LEON處理器是經過了多個ASIC芯片流片成功的實踐檢驗。目前基于LEON系列的ASIC芯片也有幾十個項目。

2 在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2的SOC原型平臺

　　隨著片上系統(tǒng)復雜性的不斷增加，為了克服片上系統(tǒng)（SOC）設計的挑戰(zhàn)，半導體業(yè)界正在采取一種基于系統(tǒng)原型的平臺設計方法。這種方法就是通過將片上系統(tǒng)映射到FPGA，這樣可以在接近運行速度的前提下，驗證硬件和軟件。這樣不僅給為軟件部分能盡早的進行開發(fā)與調試工作提供了一個原型，同時也可以在實際運行中發(fā)現(xiàn)一些在系統(tǒng)設計中沒有注意的地方。這樣最終可以縮短設計周期，同時為ASIC設計一次成功提供了更大的把握。

　　在我們的設計中，為了上述的目的，所以決定在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2處理器的SOC平臺。使用這個原型系統(tǒng)，就可以很容易驗證系統(tǒng)的性能，并且加速軟件開發(fā)調試流程。圖2 就是我們的一個基于LEON2的平臺的模塊框圖。LEON2處理器作為核心部分，片內ROM存放monitor負責系統(tǒng)初始化和將程序拷貝到片外SRAM內的任務，片外RAM是FPGA開發(fā)板上memory，用來存放程序和數(shù)據。我們自己設計的IP核通過AHB總線和LEON2相互交互。

　　FPGA開發(fā)板是Altera公司的FPGA開發(fā)板NIOS。板上主要有以下資源，一塊APEX20KE的FPGA，256K字節(jié)的RAM(2個64K*16bit的片子)，JTAG接口（通過JTAG接口我們可以從PC機上對APEX20KE進行編程），串行口和計算機的COM1口相連。APEX20KE是Altera公司的可編程邏輯器件，標準門數(shù)為20萬門左右，片上可配置RAM或ROM為10K。

　　開發(fā)流程如圖3開發(fā)流程圖。

　　硬件流程: LEON2軟核用VHDL代碼編寫的，和我們的VHDL設計文件一起使用Synplify綜合工具生成FPGA的網表文件，然后使用Altera公司的布局布線和下載的工具Quartus生成相應的SOF文件。通過JTAG端口將SOF文件下載到片子上去。對FPGA硬件進行配置。由于Quartus軟件可以預先配置APEX20KE片上ROM，所以我們可以利用這一點，在LEON2的片上ROM預先配置好1K大小的Monitor軟件。

　　軟件開發(fā)流程,當軟件代碼完成以后，使用LEON2的基于GCC的LECCS交叉編譯系統(tǒng)對C代碼編譯，得到二進制代碼以后，就可以通過串行口下載到FPGA開發(fā)板上。

3 軟硬件詳細設計

　　在LEON的開發(fā)網站上可以下載VHDL代碼， LEON2是一個可配置的處理器核，可以根據具體系統(tǒng)的應用范圍，對處理器的性能進行權衡。例如可以將指令和數(shù)據cache進行設置，選擇從1kbyte到64kbyte的大小。同時選擇處理器是否要支持硬件乘法器。是否要有硬件debug的功能等等。圖四是LEON2的處理器配置的界面，將各個選項部分配置完畢，系統(tǒng)生成對應的VHDL代碼。

　　在最終的設計中，選取了指令和數(shù)據cache分別是1kbyte，不帶有硬件乘法功能的模塊。得到LEON2的VHDL代碼，然后加入我們自己設計的HDL代碼，使用modelsim做簡單的功能仿真。等功能仿真通過后,使用synplify對VHDL綜合，應用 APEX20KE器件，最終的綜合結果是：占用 FPGA資源是5800個LE，可以達到的時鐘頻率最大46M。應當注意的是，由于APEX20KE器件是Altera公司2000年的產品，如果采用Altera新一代的FPGA器件,例如StratixII器件，時鐘頻率可以達到107M,可以滿足大多數(shù)的應用領域。

　　使用quartus進行布局布線時，需要將LEON2和外圍的memory連接起來, LEON2對程序存儲器和數(shù)據存儲器是統(tǒng)一尋址。但是在FPGA原型平臺設計時，軟件需要多次修改調試，所以不能采取將程序固化在片外flash這種做法。所以采用了圖5的結構，LEON2核同片內ROM和片外SRAM連接。其中ROM存放了一個monitor程序。由于這個部分是整個平臺正常工作的核心，所以下面我專門對它做詳細的解釋。

   LEON2的平臺中有兩個memory，分別是片內ROM，片外SRAM,LEON2對存儲器是統(tǒng)一尋址的。分配如下：

　　Monitor的主要作用是在LEON2系統(tǒng)reset初始化的時候首先對處理器初始化，對LEON2的存儲配置寄存器進行配置。然后向UART口發(fā)送啟動信息，然后等待從UART信息。當軟件部分使用交叉編譯器LECCS在PC上編譯完畢后， PC機通過UART口和FPGA開發(fā)板相互通信，就可以將編譯好的srec文件下載到FPGA開發(fā)板上去,放置在片內rom里面的monitor程序就讀入程序的內容以及程序的起始地址。起先monitor將srec程序拷貝到SRAM程序區(qū)，等全部程序下載好以后， monitor最后一條程序就會自動跳轉到程序的起始位置，執(zhí)行SRAM里的程序。

　　使用圖5的連接。由于data_to_leon[31:0]的數(shù)據線是單向的，我們使用多路復用器來選擇從外部SRAM的數(shù)據輸入或者內部ROM數(shù)據輸入和data_to_leon[31:0]相互連接,使用romsn[0]來選擇。romsn[0]只有當訪問PROM時才會置低，也就是地址為0x00000000-0x1FFFFFFF的時候。根據上面的描述只有系統(tǒng)reset初始化的時候訪問PROM，也就是romsn[0]置低，等下載的程序全部都拷貝到SRAM程序區(qū)以后，monitor會控制LEON2處理器跳轉到程序的起始位置，也就是片外的SRAM內，這時候romsn[0]保持高電平，也就是data_to_len[31:0]于ram_datain[31:0]連接。這樣系統(tǒng)就只會接收外部SRAM的數(shù)據。

　　也就是，程序下載完畢后，就只會執(zhí)行下載的程序。這樣就可以反復修改程序，反復下載程序?？梢栽诶眠@個原型平臺開發(fā)和調試軟件硬件程序。圖6是monitor的程序框圖。

　　最終，在FPGA里根據上面圖5的連接將LEON2分別和片內ROM，片外SRAM相互連接，其中片內rom放入了前面所說的monitor的程序。使用quartus做布局布線和下載。最終在FPGA開發(fā)板上建立了LEON2的SOC原型平臺，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作在33M的時鐘下，并且由于FPGA的可多次配置的特性，極大的方便了軟件模塊和硬件模塊的開發(fā)調試工作。

4 總結和題外話

　　上面的內容論述了如何利用Altera的FPAG開發(fā)板資源，使用開放源代碼的LEON2微處理器，建立一個基于LEON2的SOC原型開發(fā)平臺。并且從軟件結構和硬件設計的兩個方面詳細介紹了這個平臺的建立。經過實際使用，完全滿足要求，加快了我們的項目開發(fā)進度。

參考文獻：

1 單片機原理及接口技術    李朝青 編著 北京航空航天大學出版社 1994年第一版

2 Nios Embedded Processor Development board  Altera Corporation  March   2002, ver2.0

3 Nios Embedded Processor Getting Started      Altera Corporation  January  2002 ver2.0

4 Nios board schematic                      Altera Corporation  January  2002 ver2.0

5 The LEON-2 Process User’s Mannual          Version 1.0.13  August    2003

6  http://www.gaisler.com/index.html