软核处理器嵌入式系统设计
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1MicroBlaze软核处理器
MicroBlaze嵌入式软核的运行速度较快，可配置性强，属于32位RISC处理器，该处理器支持CoreConnect总线的标准外设集合，和CPU同频，并支持FCB、XSL、XCL等高速连接，此外，通过MAILBOX和MUTEX，该软核处理器还能实现多核处理系统。从理论上来讲，FPGA容量是唯一影响CPU数量的因素，但是实际上CPU数量最多只能到8个。对MicroBlaze处理器进行设计之前，需要先明确其功能任务，这样才能快速选取或者设计处理器组件，进行参数化控制，缩短设计时间。设计MicroBlaze处理器时选用任务目标为导向的设计方法，设计的主要内容如下所述：（1）根据FPGA型号确定主频，并根据处理能力需求确定单核或者是多核。（2）根据具体的软件运行空间和处理器要求，确定容量、FLASH芯片及RAM类型。（3）根据需要的外部接口、外部芯片及片内模块等，选取相应的IP-Core或设计相应的模块，实现各类接口。初步确定设计的参数和元件后，进行优化设计。
2嵌入式系统结构
本文采用SOPC技术设计了基于MicroBlaze软核处理器的嵌入式系统，设计过程体现了SOPC技术的优点。系统的网络接口选择SMSC91C111芯片实现，支持CoreConnect总线的标准外设集合，DDRSDRAM和BRAM用来存储相关的数据，并且存储的数据不同，其中BRAM存储系统数据及系统运行代码，DDRSDRAM存储系统中的软件代码和系统参数。LCD显示屏的主要作用是显示系统的运行状态。该系统要实现和以太网的数据传输，其实质是以太网控制器，具有MAC层及物理层的功能。
3基于MicroBlaze的嵌入式系统开发流程
完成MicroBlaze处理器的设计之后，开始对嵌入式系统的硬件进行设计，硬件的设计如下所述。先创建硬件平台，平台的创建通过XPS的BSB向导实现；然后删减或者添加开发板平台的IP核，并对IP核的属性进行设置；最后在SystemAssem⁃blyview界面中分配地址、对端口和相应的总线连接进行设置。在开发板中下载系统生成的正确的Bitstreams，SDK中运行相应的应用程序时会看到对应的现象。系统的开发包括硬件开发和软件开发，通过EDK平成。
3.1硬件开发设计
用基本系统向导BSB搭建Microblaze平台，平台的搭建主要包括三方面的内容：确定FPGA器件的型号，并对器件的属性进行设置；根据系统需求添加需要的外设，添加之后设置其属性；平台功能测试等。XPS能够自定义IP核，生成向导创建User_Logic用户逻辑模块及IPIF接口模块，两个模块的功能和属性各不相同，其中用户可以采用User_Logic模块，根据系统需求任意添加自定义逻辑，不必考虑它们和Microblaze之间的通信链接，而IPIF接口模块的功能是进行协议转换并捕捉到PLB总线信号，和PLB总线进行交互，如果用户想要自定义输入/输出信号，只要在IPIF模块中声明即可。设计系统平台时，需要添加多种外设，如添加SMSC91C111芯片的控制逻辑；添加外部存储器SRAM的控制逻辑；FPGA的I/O接口控制逻辑及添加用户自定义的逻辑接口控制逻辑等，这些外设和Microblaze软核处理器的连接是通过特定的片内总线实现。
3.2软件开发设计
通过EDK平台的SDK组件可以完成完整的嵌入式系统软件平台的设计。利用SDK组件用户可以生成需要的MHS文件及MSS文件。MHS文件包含了整个MicroBlaze系统的总线、外设、处理器等描述。MSS文件包含了全部的外设驱动信息描述，通过驱动文件完成软件调度程序，由MB2GCC工具编译调度程序生成可执行程序。最终生成软件程序及.bit文件下载到开发板。程序设计好之后，需要进行测试，如果程序运行中存在问题，则可以应用XMD调试软件，使程序更加完善，解决问题完成设计。MHS文件可以根据系统需求进行更改，使系统变得更加完善。PlatGen（硬件平台生成器）产生整个系统的网表，结合约束文件能够生成可配置文件（.bit），用来下载。此外，EDK还提供了大量的函数库，完整的操作系统及板级支持包（BSP）都能够帮助用户开发软件平台。用户可以根据功能需求需要对外设进行设置，应用VerilogHDL或者VHDL代码在ProjectNavigatorISE环境中对用户的IPcore进行设计，然后利用creat—importperipheral工具（XPS中）完成创建和导入IPcore。EDK系统存在的IPcore和用户自己定义的IPcore可以构建一个完整的嵌入式系统。
3.3操作系统的移植
该嵌入式系统应用了μC/OS操作系统，该操作系统是一种实时操作系统，比较适用于微控制器。设计μC/OS操作系统时，要以平台的移植需求为基础，对于不同的平台μC/OS系统的要求也不相同，因此，需要改写宏和函数。*OS_ENTER_CRITICAL及OS_ENTER_CRITICAL:这是两个不同的宏，它们的主要功能是进行临界段保护。在该嵌入式系统中临界段保护的实现需要利用汇编代码关。*OS_TASK_SW：这个宏的主要作用是用于任务切换，嵌入式系统中任务切换主要利用CPU的软件中断方式实现。如果需要中断则调用此宏，宏产生软件中断，相应的中断处理程序会对中断进行处理，实现任务的切换及上下文保护。*OSIntCtxSw::采用纯汇编实现中断级任务切换。*OSTickISR:采用纯汇编实现系统定时器中断的处理函数。*OSCtxSw::采用纯汇编实现，用户级上下文切换。*OSTaskStkInit:创建任务时,初始化任务堆栈。
4结论
随着计算机技术的发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，本文采用SOPC技术搭建嵌入式测试系统，这种技术是对嵌入式系统传统设计理念的创新，推动了硬件和软件的整体设计的进步，简化了软件设计程序，并且提高了其移植性，使硬件电路设计更加简单和高效。随着计算机技术的发展，嵌入式系统的设计会越来越简单，并且成为将来研究的热点。
作者：苏智华 李校红 单位：西安欧亚学院