SoPC（片上系統(tǒng)）的概念已日益普及，而隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程系統(tǒng)芯片（SoPC）作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向。SoPC的核心是在FPGA上實現(xiàn)的嵌入式微處理器核，目前主要有Xilinx公司的32位軟核MicroBlaze、32位PowerPC系列處理器硬核PowerPC 405，以及Altera公司的Nios系列微處理器軟核等。 本文介紹的系統(tǒng)是一個以PowerPC 405為微處理器，基于VME總線的以太網(wǎng)接口設(shè)備，它通過以太網(wǎng)和VME總線接口，實現(xiàn)VME系統(tǒng)與外部局域網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)交換。 硬件開發(fā) 開發(fā)采用Xilinx公司的EDK7.1（嵌入式開發(fā)套件）和ISE7.1工具軟件。EDK工具包中集成了硬件平臺生成器（Platgen）、軟件平臺生成器（Libgen）、仿真模型生成器（Simgen）、軟件編譯器（Mb-gcc/ppc-gcc）和軟件調(diào)試工具（Mb-gdb/ppc-gdb）等，通過提供的集成開發(fā)環(huán)境XPS，用戶可以調(diào)用上述所有工具，來完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個流程。 首先在XPS界面環(huán)境下生成硬件系統(tǒng)框架并添加所需的IP核，也可以用文本編輯器直接編寫硬件描述文件（.MHS文件），再調(diào)用Platgen將其生成嵌入式處理系統(tǒng)的網(wǎng)表文件（.NGC文件）；然后通過系統(tǒng)生成或手工編輯的軟件描述文件（.MSS文件）來設(shè)置系統(tǒng)軟件配置，并調(diào)用Libgen生成驅(qū)動層和庫。雖然EDK的IP庫中有一些很有用的功能模塊和外設(shè)接口的IP核，如DCM（數(shù)字時鐘管理器）、處理器復位、PLB/OPB總線接口、外部存儲控制器（EMC）、UART、GPIO、中斷控制器、定時器等，充分利用這些資源就可以構(gòu)建一個較為完善的嵌入式微處理器系統(tǒng)，但是對于許多有特殊專用電路的嵌入式計算機系統(tǒng)的應用還是不夠的。如何將用戶專用電路設(shè)計到EDK系統(tǒng)中，一般有兩種方法，第一種是將EDK工程作為一個子系統(tǒng)在XPS中用Export to PorjNav生成ISE工程，然后在ISE中將專用電路和處理器子系統(tǒng)（system.vhd）合成為頂層HDL文件（system_stub.vhd）后，在ISE中完成綜合布線，最后在XPS中用Import from PorjNav得到硬件的.bit文件，便可以回到XPS中完成和應用軟件的合成、下載和調(diào)試了。第二種方法是將專用電路設(shè)計成為用戶自定義的IP Core，然后直接在系統(tǒng)中調(diào)用來實現(xiàn)。自定義的IP Core用HDL設(shè)計并要滿足EDK的規(guī)范，如有專門目錄結(jié)構(gòu)和處理器外設(shè)定義文件（.MPD）、外設(shè)分析定義文件（.PAO）等。如果自定義的IP Core要具有軟件驅(qū)動，那設(shè)計還要完全符合相應的PLB或OPB總線接口規(guī)范。完成了硬件和驅(qū)動的設(shè)計后，就可以在XPS工程中添加應用軟件項目并編寫應用軟件，然后調(diào)用處理器對應的編譯器編譯并和硬件綜合后生成的.bit文件合成后下載到目標板便可以進行調(diào)試了。 本系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。本設(shè)計選用Virtex-II Pro系列FPGA芯片XC2VP40，將系統(tǒng)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都放在片內(nèi)用Block RAM來實現(xiàn)，在系統(tǒng)中添加DCM模塊，將外部參考時鐘4倍頻提供給PowerPC 405作處理器時鐘，并分頻后再送給OPB總線作總線時鐘，降低慢速外設(shè)的總線速度，使系統(tǒng)搭配更合理。 PowerPC 405是此嵌入式系統(tǒng)的核心，它通過PLB總線實現(xiàn)和程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的快速通道，并通過PLB-OPB橋?qū)崿F(xiàn)了片上的OPB總線，然后通過OPB 總線進行各種外設(shè)的擴展，OPB外設(shè)包括一個RS232串口，一個OPB_EMC用于擴展以太網(wǎng)控制器芯片，一個GPIO作以太網(wǎng)控制器輸出的中斷請求，一個中斷控制器OPB_INTC將GPIO輸入的外部中斷通知PowerPC 405并可以設(shè)置優(yōu)先級，還有一個用戶自定義的IP Core用于實現(xiàn)和VME總線的接口電路。 PowerPC 405 是專門為嵌入式應用而設(shè)計的高性能32位PowerPC系列處理器芯核，對于Virtex-II Pro系列FPGA，其實現(xiàn)型號為PowerPC 405D5。 PLB是處理器本機總線，它為指令和數(shù)據(jù)一側(cè)提供獨立的32位地址和64位數(shù)據(jù)總線。 PLB總線架構(gòu)支持多主從設(shè)備，每一個PLB主控機通過獨立的地址總線、讀數(shù)據(jù)總線和寫數(shù)據(jù)總線與PLB連接，有一個中央判決機構(gòu)來授權(quán)對PLB的訪問以允許主控機通過競爭來獲得總線的所有權(quán)。OPB是片上外設(shè)總線，提供分離的32位地址總線和32位數(shù)據(jù)總線，一般用來訪問低速和低性能的系統(tǒng)資源。它是一種完全同步總線，但不直接連接到處理器內(nèi)核，處理器內(nèi)核通過“PLB to OPB”橋和OPB總線來訪問OPB接口外設(shè)。 網(wǎng)絡控制器采用Cirrus Logic公司的通用單片10/100M以太網(wǎng)控制器CS8900A，該芯片完全遵從與IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，支持完全的全雙工操作。應用EDK的OPB_EMC IP可以很方便地將CS8900A擴展為系統(tǒng)OPB總線上的一個設(shè)備，只要將EMC端口的地址、數(shù)據(jù)總線以及控制信號分別接到CS8900A的地址、數(shù)據(jù)總線和控制端口上，并將EMC的時序參數(shù)設(shè)置成與CS8900A手冊上要求的一致就可以了。另外將CS8900A的中斷輸出INTRQ作為一個GPIO引 入系統(tǒng)以實現(xiàn)以太網(wǎng)的中斷服務功能。 自定義的IP Core內(nèi)容如圖2所示，它用FPGA內(nèi)的Block RAM資源實現(xiàn)64KB的雙口RAM用來完成和VME總線上其他設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)交換。我們用上述的第二種方法來實現(xiàn)將用戶專用電路嵌入微處理器系統(tǒng)中，自定義的IP主要包括OPB總線接口和用戶電路兩部分，我們用EDK提供的OPB總線的IPIF模板修改后，作為自定義IP的總線接口，64KB的雙口 RAM和VME總線接口是真正的用戶電路。 軟件開發(fā) 嵌入式開發(fā)環(huán)境EDK（Embedded Development Kit）將軟件開發(fā)分為兩大部分，一是底層系統(tǒng)軟件的開發(fā)，主要完成BSP（板級支持包）的功能；另一部分則是用戶應用軟件的開發(fā)（包括用戶硬件驅(qū)動及用戶上層應用軟件）。由于EDK中帶有許多IP核以及相應的驅(qū)動軟件，因此底層系統(tǒng)軟件的開發(fā)大部分可以借助EDK集成開發(fā)環(huán)境來完成的，如操作系統(tǒng)的選擇、設(shè)備驅(qū)動程序的選擇、中斷/異常處理例程的設(shè)置、操作系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等在內(nèi)的各種系統(tǒng)級軟件參數(shù)的設(shè)置。而用戶應用軟件的開發(fā)由于有底層驅(qū)動的隔離，可移植性好。整個用戶軟件的開發(fā)及調(diào)試工作都可以在EDK中完成。 底層系統(tǒng)軟件開發(fā) 在本設(shè)計中，沒有使用操作系統(tǒng)，使用所謂的standalone模式，即EDK僅提供硬件初始化及引導代碼。此外還需要對GPIO、EMC、RS232、中斷控制器等一些外設(shè)生成底層驅(qū)動，這些都可以通過在EDK集成環(huán)境XPS中選擇菜單Project->Software Platform Settings的對話框進行設(shè)置，如圖3所示。其實質(zhì)是自動修改工程的.MSS文件。例如中斷函數(shù)的處理例程可在如圖4所示的界面中加以設(shè)置。也可以手工編輯.MSS文件如下設(shè)置：PARAMETER int_handler = CS8900A_INT_HANDLER, int_port = IP2INTC_Irpt 設(shè)置完成后在XPS中運行Tools->Generate Libraries and BSPs將調(diào)用LibGen自動生成驅(qū)動庫文件，這些CPU和外設(shè)驅(qū)動庫的設(shè)置、操作函數(shù)實現(xiàn)或定義可在工程項目根目錄下的以處理器實例名為名字的目錄下的libsrc目錄下相應的各模塊子目錄中找到，參考其實現(xiàn)有助于深刻理解事實上發(fā)生的操作。例如中斷向量表可在中段向量控制器模塊子目錄（本例中為 intc_v1_00_c\src）下的xintc_g.c文件中找到。 用戶軟件開發(fā) 用戶軟件主要是對網(wǎng)絡控制器、GPIO、RS232串口等的操作，其中控制CS8900A的程序是重要部分，它要完成TCP/IP協(xié)議。CS8900A所有的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器都映射在被稱為PacketPage的片上4K地址空間內(nèi)，這4K空間可映射到主機地址空間中（存儲器模 式），或通過8個16位I/O口進行存?。↖/O模式）。本設(shè)計中CS8900A工作于I/O模式，通過EDK的OPB_EMC IP作為OPB總線上的一個設(shè)備，并給EMC控制器和所映射的設(shè)備分配操作地址空間，在程序中用Xuint32 XIo_In32（XIo_Address InAddress）;void XIo_Out32（XIo_Address OutAddress, Xuint32 Value）;讀寫映射的設(shè)備，這兩個I/O函數(shù)同＊pDestMem = Value（直接讀寫存儲器操作）的差別在于前者做了讀寫同步（調(diào)用eieio匯編指令）。參考芯片手冊編寫CS8900A的驅(qū)動，實現(xiàn)基本I/O操作CS8900A_SendFrame和CS8900A_RecvFrame。EDK中有需付費的以太網(wǎng)IP CORE并附帶有一些TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧實現(xiàn)了大部分常用功能，但也有一些重要功能并未實現(xiàn)，例如TCP包的超時未達重發(fā)，收發(fā)操作的中斷工作方式。通過修改、增加和完善這些軟件包，實現(xiàn)了真正面向用戶更高層應用軟件的網(wǎng)絡編程接口。 軟件開發(fā)中的部分問題 軟件開發(fā)過程中遇到的幾個主要問題歸納如下： （1）IEEE 802.3網(wǎng)絡及網(wǎng)絡控制器CS8900A采用的均是Little Endian編碼，而XC2VP40內(nèi)含的處理器PowerPC 405D5采用的是Big Endian編碼方式，因此在數(shù)據(jù)I/O過程中需要做一下轉(zhuǎn)換。 （2）可通過編寫鏈接控制腳本文件控制應用程序的鏈接過程，從而控制程序映像在存儲器中的重定位過程。這在FPGA這種存儲器資源有限的環(huán)境中有時很有用。 （3）要將EDK提供的默認bootloop程序打包到硬件初始化流中，這樣做的目的是提供默認的CPU復位后運行程序，保證CPU處在可預知的狀態(tài)，而不是因為執(zhí)行了存儲器中的隨機代碼而處于一種未知的狀態(tài)。 系統(tǒng)調(diào)試方法 由于PowerPC 405處理器核中已包含調(diào)試模塊，并用JTAG端口引出，只要在系統(tǒng)中添加一個叫做JTAGPPC的IP模塊并和PowerPC 405相連便可將其調(diào)試端口串入FPGA的JTAG鏈中，這樣只需使用FPGA本身的下載電纜和JTAG接口便可完成系統(tǒng)軟件調(diào)試而不需要增加額外電路。 EDK提供的軟件調(diào)試工具主要有XMD和GDB。值得一提的是利用XMD下載可執(zhí)行程序映像時還會顯示各程序段的重定位情況，在發(fā)生錯誤時 會報告錯誤，諸如要求的地址空間大于實際提供的地址空間等錯誤，而這在EDK集成環(huán)境下是看不到的。在存在多種類型存儲器資源的情況下，編寫鏈接控制腳本 文件控制重定位過程可能能夠解決上述某地址空間不夠的問題。網(wǎng)絡通信部分的調(diào)試主要由Sniffer軟件輔助完成。 GDB是EDK附帶的GNU的主機方圖形界面調(diào)試工具，它通過和XMD通信完成圖形界面調(diào)試功能，此時XMD則扮演了一個主機方調(diào)試代理的角色，所有的調(diào)試通信是由XMD同目標機通信完成的。 結(jié)語 SoPC使得硬件設(shè)計能真正實現(xiàn)象搭積木一樣方便迅速，而利用EDK開發(fā)工具就可以實現(xiàn)一個基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件一體化的開發(fā)，的確大大提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率，但是目前它還有許多不夠完善的方面。 首先是系統(tǒng)設(shè)計對設(shè)計工具軟件的依賴性很大，而這些軟件還有許多有待修正完善的地方，設(shè)計師無法避免將在使用熟悉軟件方面花許多時間。其次，IP Core的不斷豐富和完善是SoPC的基礎(chǔ)，昂貴的付費IP核不利于此技術(shù)的推廣，尤其在國內(nèi)，而要設(shè)計驗證用戶自己的IP Core對設(shè)計者的要求較高。如今一個完善的嵌入式系統(tǒng)都有實時操作系統(tǒng)在運行，SoPC要成為主流也需要更豐富的RTOS的支持。